JP2681460B2 - 目的イオンとその他のイオンとの混合物から目的イオンを選択的に競争分離する方法 - Google Patents

目的イオンとその他のイオンとの混合物から目的イオンを選択的に競争分離する方法

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Description

【発明の詳細な説明】 【0001】 【発明の属する技術分野】本発明は組成物の利用方法に
関するものである。この組成物はある種のプロトンイオ
ン化性大環状化合物を含む。前記方法は、多イオン溶液
中で選択されたイオンをその他の複数イオンから分離す
る際に、多イオン溶液を本発明の化合物と多数の異なる
実施態様で接触させることを含み、各実施態様は、目的
イオンを多イオン溶液から、即ち、目的イオンとその他
のイオンとの混合物から選択的競争条件下で分離するこ
とを含だ統一原理を実施することができる。本明細書で
開示される特定の実施態様は、多イオン溶液を本発明の
化合物と接触させることによって前記方法を実施するこ
とを含み、その際、本発明の化合物は、(A)液状隔膜
中に配位子として存在し、この配位子と錯体を形成した
目的金属イオンはイオンの混合物を含有する独立した給
源相から、独立した受容相へ選択的競争的に運搬され、
その場合、分離手段はエマルション状態のような液状隔
膜であるか、又は、物理的バリヤーと液状隔膜の両方、
例えば受容容器を有する装置であって、この容器内に開
口管が位置し、この管の下方端が液状隔膜相に浸漬し、
この管の下方端は他の相の一方を収容し、かつ他の相に
よって包囲されてなる装置のようなものであってよい;
(B)分離カラム内でシリカゲルに付加した化合物とし
て存在し、このカラムを通って混合物がまず流れて目的
イオンを前記化合物と錯体を形成させ、次いでカラムに
受容液を通して錯体を分解し、目的イオンを溶解し、こ
れをカラムから外部へ運搬する;又は(C)束状フィラ
メント中の各中空フィラメントの壁部にある細孔又は開
口内に位置する液相中に配位子として存在し、この束状
フィラメント内を他の2相のうちの一方が流れ、他方の
相は束状フィラメントの外側を流れる。各実施態様にお
いて、運搬された目的金属イオンは受容相から公知の手
順で回収される。 【0002】より詳細には、本発明の方法の実施態様
(A)は、分離されるべきイオンの混合物を含有した独
立給源相(source phase)、独立した受容
相及び前記給源相と受容相との界面をなす液状隔膜溶剤
中に大環状内部空孔プロトンイオン化性ピリドン配位子
といった化合物を少なくとも1種含有した液状隔膜相を
確立し、目的金属イオンの実質的部分を給源相から受容
相へ運搬するに足る期間、界面接触を維持することによ
って目的金属イオンをこのイオンとその他のイオンとの
混合物を含有する給源相から選択的競争的に運搬するこ
とから成る。本発明の方法のこの実施態様は、液状隔膜
相を介して、イオン化性プロトンを有する大環状配位子
を用いてプロトン−金属イオン結合機構によって金属イ
オンを独立した給源から、独立した受容相へ選択的に運
搬することであると言うことができる。本発明の方法の
実施態様(B)は、シリカゲルと前記化合物の少なくと
も1種との間に化学的共有結合を形成すること、得られ
た結合シリカゲルを高いカラムに充填すること、このカ
ラム内にイオンの混合物を流し、そこで目的イオンが結
合シリカゲルと錯体を形成し、このシリカゲルが目的イ
オンと混合物の残部とを分離し、この残部はカラムから
流出し、次いで受容液をカラムに通して錯体を分解し、
目的イオンを溶解してカラムから外部へ運搬することか
ら成る。実施態様(C)は、束状中空フィラメントの各
フィラメントの壁部にある開口に本発明の大環状化合物
を含有した液体を充満させ、2種の相の一方をフィラメ
ント内を通過させ、他方をフィラメント上を通過させ、
その間に開口内の大環状化合物が目的イオンを給源相か
ら受容相へ運搬するようにしてなる。各実施態様におい
て、目的金属イオンは公知の手順によって受容相から回
収される。 【0003】 【従来の技術】プロトンイオン化性環状ピリドンポリエ
ーテル、その他の環状ポリエーテル及び大環状配位子が
カチオンを結合する際にサイズに関連した選択性の特徴
を有することは既知であり、例えば、J.D. Lam
b,R.M.Izatt,J.J.Christens
en,D.J.EatoughがCOORDINATI
ON CHEMISTRY OF ACROCYCLI
C COMPOUNDS,(G.A.Melson編,
PLENUM,145〜217頁(1979))で指摘
している通りである。側鎖に交換可能なプロトンを有す
る少数の大環状化合物が選択的競争的アルカリ金属相互
作用に関して開示されている。例えば、HIGH LI
THION SELECTIVITY IN COMP
ETITIVE ALALI−METAL SOLVE
NTT EXTRACTION BY LIPOPHI
LIC CROWN CARBOXYLIC ACID
Sという表題でRichard A. Bartch,
Bronislaw P.Czech,Saing I
hn Kang,Louis E.Stewart,W
ladyslaw Walkowiak Witold
A.Charewicz,Gwi Suk Heo及
びByungki SonのJ. Am. Chem.
Soc.,1985;107,4997〜4998の論
文にある。しかし、本発明で開示される種類のプロトン
イオン化性大環状化合物は以前報告されたことがない。
J.Liquid Chromatogr., 198
5,8,24O3〜2415におけるM.Lauthと
Ph.Germainによる論文、ION−CHROM
ATOGRAPHIC SEPARATION OF
SILICA GRAFTED WITH BENZO
−18−CROWN−6CROWN ETHER及び
J.Liquid chromatogr.,198
4,2;2115〜2125におけるM.Nakaji
ma,K.Kumura,E.Hayata及びT.S
honoによる論文ION CHROMATOGRAP
HY ON POLY(CROWN ETHER−MO
DIFIED)SILICA POSSESSING
HIGH AFFINITY FORSODIUMとい
った各論文はシリカゲルのクラウンエーテルの結合を開
示しているが、これら及びその他のすべての公知の結合
シリカはベンゼン環を有し、又は大環状化合物がカチオ
ン、その他の溶質と反応する能力を減少させるその他の
電子求引性基を有し、シリカルゲルと溶質との副反応、
例えばOH部位と金属カチオンとの相互作用をも含む。 【0004】 【発明が解決しようとする課題】この分野における従来
の研究者らは研究をクロマトグラフ法への応用に限定し
ており、高純度の生成物が要求されている工業的分離へ
応用する着想は全く開示しなかった。プロトンイオン化
性クラウン化合物をシリカルゲルに結合させることはこ
れまでに開示されていない。 【0005】 【課題を解決するための手段】本発明の化合物は、分子
に結合した親油性基を有する大環状化合物の交換可能な
又はイオン化性プロトン形成部分によって特徴づけられ
る。これらの化合物が特に有用であることがわかったの
は次のものとしてである。即ち、(A)液状隔膜中にあ
って、目的金属イオンを給源相から受容相へ選択的に運
搬するための配位子として;(B)目的金属イオンと選
択的に錯体を形成するための、シリカゲルに付加した化
合物として、この場合、給源相がカラム内でこの化合物
上に流され、次いで受容相が流され、この受容相は錯体
を分解し、目的金属イオンをカラムから外部へ洗い流
す;又は(C)2相のうちの一方の相が内部を通り、他
方の相が外部を通るようにした、束状フィラメント中の
各フィラメントの壁部にある開口内に存在する運搬剤と
して、である。これらの化合物は、(1)目的金属カナ
オンの運搬体又は担体として、及び(2)前記金属カチ
オンの錯化受容体として極めて有効でありかつ選択的で
ある。本発明の実施態様(A)において、これらの化合
物は目的金属カチオンに対する運搬選択性(給源相と受
容相の各pH及び大環状空孔のサイズに従う)が種々の
他の金属カチオンに対するより高いこと、水への溶解度
が低く、隣接水相への大環状化合物の損失を最小限にす
ること、及びプロトンを失って中性カチオン錯体を形成
するので、隔膜を通過するカチオンと一緒にアニオンが
行く必要がないことを特徴とする。この最後の特性のた
めに、隔膜を介してカチオンの運搬とプロトンの逆流束
とを対にすることが可能となる。シリカゲル鎖に付加さ
れた化合物としてカラム内で本発明の化合物を利用する
本発明の実施態様(B)において、本発明の化合物は、
金属イオンの混合物を含有した給源相がカラム内で前記
化合物上を流れるとき、この給源相から目的金属イオン
を高い選択率で除去することを特徴とする。本発明の実
施態様(C)において、本発明の化合物は目的金属イオ
ンを給源相から高い選択率で除去し、フィラメントの壁
部の開口内にある短い長さの配位子溶液を介して目的金
属イオンを受容相へ迅速に運搬することを特徴とする。
すべての実施態様において、目的金属イオンを受容相か
ら回収することは公知の手順によって容易に行われる。 【0006】 【発明の実施の形態】 化合物の製法:本発明の化合物は適当な任意の方法によ
って製造することができる。例えば図3の化合物を製造
する一方法は、次の通り、オクチル置換トリエチレング
リコールジトシレートと4−(テトラヒドロ−2−ピラ
ノキシ)−2,6−ピリジンジメタノールとを反応さ
せ、次いで酸加水分解することである: 【0007】 【化2】【0008】図2の化合物の製造方法は、次の通り、4
−THP封鎖ピリジンメタノールのジトシレート誘導体
とオクチル置換テトラエチレングリコールとを反応させ
ることから成る: 【0009】 【化3】 【0010】本発明の4−ピリドン化合物の合成法は本
発明の一部ではなく、その詳細は次の論文に開示されて
いて、この論文は引用によって本明細書に組み入れる: 【0011】PROTON−IONIZABLE CR
OWN ETHERS.3.SYNTHESIS AN
D STRUCTURAL STUDIES OF M
ACROCYCLIC POLYETHER LIGA
NDS CONTAINING A 4−PYRIDO
NE SUBCYCLIC UNI,著者:Jeral
d S.Bradshaw,Yohji Nakats
uji,PeterHuszthy,Bruce E.
Wilson N.Kent Dalley及びRee
d M.Izatt,J.Heterocyclie
CHem.,Vol.23,353〜360頁(198
6)。 【0012】本発明のチオピリドンクラウン化合物(図
4においてXが硫黄である化合物)の合成は、Xが酸素
であるピリドンを良好な加硫剤、例えばP25及び2,
4−ビス(4−メトキシフェニル)−1,3,−ジチア
ー2,4−ジホスフェタン−2,4−ジスルフィド(L
awesson試薬、Aldrich試薬番号22,7
43−9を参照)で処理することから成る。 【0013】図5に示したリン酸含有化合物の合成は、
次の通り、適当なオリゴエチレングリコールを塩化ホス
ホリルと反応させた後、粗塩化物をジオキサン中で水で
処理することから成る: 【0014】 【化4】 【0015】図12に示したトリアゾロ化合物の合成
は、次の通り、適当なオリゴエチレングリコールを1−
N−THP封鎖トリアゾール−3,5−ジメチルクロリ
ドと反応させた後、1)塩基及び2)希薄酸によって封
鎖基(blocking group)を除去すること
から成る: 【0016】 【化5】【0017】シリカゲルに共有結合したクラウン化合物
の生成方法は図面の図7a、図7b及び図8に示されて
いて、側鎖−CH2−O−CH2−CH=CH2を有する
クラウン化合物を白金触媒の存在下でHSi(CH32
−Clと反応させて側鎖を−CH2−O−(CH23
Si(CH32−Clに変え、この化合物をシリカゲル
と共に加熱して側鎖−CH2−O−(CH23−Si
(CH32−Oシリカゲルによってシリカゲルに結合し
たクラウン化合物を得ることから成る。図7a及び図7
bにおけるケイ素原子は2個のメチル基と1個の塩素よ
りむしろ3個の塩素原子を結合させることができる。図
7aに示した化学種の外に、図4及び図5の化合物及び
図12の範囲内のその他の化学種を用いて共有結合シリ
カゲル−クラウン化合物を生成させることができる。 【0018】金属イオン回収方法:本発明の金属イオン
回収方法は、前記に定義した本発明の化合物を用いて、
目的金属イオンをこの金属イオンとその他の金属イオン
との混合物から選択的に回収することに関するものであ
る。廃液、沈降物及び工業溶液中の金属イオン、特にリ
チウム、ナトリウム及びカリウムを別々に回収及び/又
は分離する有効な方法及び廃液、例えば写真及びX線フ
ィルムの場合のエマルションから銀を回収する有効な方
法が現代技術において現実に求められている。本発明は
この分離を、図4及び図5で表わされる系の化合物、よ
り詳細には図2、図3、図7a及び図12で表わされる
化合物を利用して効果的かつ効率的に行うものである。 【0019】実施態様A:本発明の配位子含有液状隔膜
法の利用による分離方法は、金属イオンを独立給源相か
ら独立受容相へ、この2つの独立相と界面を形成してい
る、例えばエマルションとしての液状隔膜を介して、又
は、後で詳細に説明される図面の図1に示した装置内で
運搬することを含む。 【0020】図2の環状化合物は、給源相のpHが12
以上、受容水性相のpHが、例えばH2Oの場合はpH
=7,HNO3の場合はpH=1.5である基本条件下
でK+と選択的に錯体を形成する性質を示す。受容相と
してpH=7の水の場合よりpH=1.5の酸の場合の
方が運搬量は大きかった。 【0021】図3の環状化合物は、給源相のpHが12
以上、受容水性相がpH=7の水又はpH=1.5の硝
酸である基本条件下でLi+と選択的に錯体を形成する
性質を示す。Li+の良好な運搬がpH=7のH2Oであ
る受容相の場合に認められた。明らかにこの結果は受容
相内でLi+がOH-によって錯化されてLiOH(水溶
液)を形成したことに一部起因している。その他のアル
カリ金属イオンは同様のMOH(水溶液)錯体を形成し
ない。 【0022】本発明の方法の実施態様(A)を実施し得
る適当な装置が図1に示されている。図1において、1
0は上端部が開放し、低部が低部壁で密閉された外部容
器を示し、12は両端が開口した内部容器であり、この
容器は横断面積が外部容器10の構断面積より小さく、
外部容器10内に存在し、下方開口端部は外部容器の低
部壁から上方に離れており、14は配位子を含有した液
状隔膜層であり、この隔膜層は内部容器12の下方開口
端部を覆うに足る深さを有し、16は給源相、即ち、分
離されるべき金属イオンの水性溶液の本体であり、この
給源相は液状隔膜の上方で内部容器12内に存在し、そ
して18は水性受容相であり、この受容相は液状隔膜の
液面より上方にあって外部容器10内で内部容器12の
外部に存在する。所望により、撹拌手段、例えば磁気ス
ターラー20を含めてもよい。この装置において、給源
相16は受容相18から液状隔膜14及び物理的バリヤ
ーである内部容器12によって分離されている。いずれ
の容器も金属、ガラス、プラスチックなどといった適当
な任意の材料でつくることができる。 【0023】しかし、本発明の方法の実施態様(A)は
この装置の利用に依存してはいない。その理由は、この
方法は次の3つの相を保持する手段を備えた任意の装置
内で実施することができるからである: 【0024】(1)分離されるべき金属イオンを含有し
た独立水性相、(2)独立水性受容相及び(3)他の2
相を分離しかつこれらの相と界面を形成する隔膜相。例
えば、各相は、配位子を含有した連続有機液体相中に分
散した小滴としての2つの独立水性相のエマルションと
して任意の種類の容器中にあってもよい。このような装
置内では給源相は受容相から液状隔膜相のみによって分
離されている。 【0025】本発明の方法の実施態様(A)において、
目的金属イオンはこのイオンを含有した水性相である給
源相16から相14内の脱プロトン化配位子によって相
14と16の界面を横切って選択的に除去され、配位子
から水性受容相18へ相16と18の界面を横切って移
送される。液状隔膜相内で配位子からの脱プロトン化水
素は給源相からのヒドロキシドと水を生成し、このため
に液状隔膜相は濁る。次いで、受容相からの水素は配位
子をプロトン化し、液状隔膜相を介して界面16と18
を横切って戻され、そこでこの過程が繰り返される。 【0026】分離されるべき金属イオンを含有した独立
水性相は、全体を又は一部を回収したい金属価を有する
出発材料から適当な仕方で調製することができる。適当
な疎水性有機溶剤に配位子含有した隔膜相はこの目的に
有用な、当業者には既知の液体から適当な仕方で調製す
ることができ、この液体は例えば、引用によって本明細
書に組み入れられるJ.D.Lamb,J.J.Chr
istensen,J.L.Oscarson,B.
L.Nielsen,B.W.Asay及びR.M.I
zatt,J.Am.Chem.Soc.,102,6
820〜6824(1984)に記載されている。受容
相は、適当なpH、例えば1〜7の蒸留水、脱イオン
水、硝酸水溶液などであってよい。この3種の液相は調
製後に方法を実施しようとする装置に入れられる。給源
相と受容相とを分離する物理バリヤーをもたない装置に
おいては、給源相と受容相は適当な容器内で連続液状隔
膜相中に独立小滴として乳化されている。 【0027】図1の装置を用いた場合、まず隔膜相を図
1に示すように管12の下方端を覆うまで容器10に導
入し、受容相を管12の外部で容器10内に導入し、給
源相を隔膜相上に浮くようにかつ管12で分離されるよ
うに管12に導入する。次いで、給源相から受容相への
金属イオンの運搬が、目的金属イオンを給源相から実質
的に全部除去し、受容相へ移送するに足る期間にわたっ
て選択性配位子によって隔膜相を介して行われる。 【0028】実施態様Aの実施例:図2及び図3で示さ
れる2種の配位子(以後それぞれ図2及び図3の化合物
と呼ぶことがある)の各々について、塩化メチレンの有
機液状隔膜溶剤に各配位子を1.0mM溶液を形成する
のに足る量溶解することによって3種の液状隔膜を調製
する。 【0029】図1に示した装置を用い、外部容器10と
しての役を果す容量4ドラムのガラス瓶の各々に各溶液
3.0mlを注入する。この量は内部ガラス管12の下
方端を覆うのに充分である。この有機液体の最上部で、
(1)管12の外部の容器10内の空間に脱イオン化蒸
留水5.0ml及び(2)管12内に分離されるべきイ
オンを含有した給源相0.8mlを入れる。24時間
後、受容相から3mlをサンプリングし、原子吸光分光
測定法によってカチオン濃度を測定する。各配位子につ
いて3回の測定を行い、結果を平均する。各測定値間の
標準偏差は15%より低い。結果は表1、2、3及び4
に示されている。 【0030】表1は、種々のpH値の水性受容相から、
図2の化合物を含有した液状隔膜相を横切って、pH7
の水及びpHl.5の硝酸である2種の異なる受容相の
いずれかへ行くアルカリ金属イオンの非競争的フラック
スを示す。表2は、pH14の水性給源相から図2の化
合物を含有した液状隔膜相を横切って2種の異なる受容
相のいずれか一方へ向うアルカリ金属イオンの競争フラ
ックスを示す。各カチオン混合物について、金属イオン
フラックスの比率も示されている。表3は、種々のpH
値の水性給源相から図3の化合物を含有した液状隔膜相
を横切ってpH7の水又はpH11.5の硝酸である受
容相へ向うアルカリ金属イオンの非競争フラックスを示
す。表4は、pH14の水性給源相から図3の化合物を
含有した液状隔膜相を構切って2種の異なる受容相のい
ずれか一方へ向うアルカリ金属イオンの競争フラックス
を示す。各カチオン混合物について、金属イオンフラッ
クスの比率も示されている。フラックスはJM(モル/
S−m2)×10-8(ここでJMはフラックス,Sは秒、
mはメートルである)に等しい。 【0031】 【表1】 【0032】 【表2】 【0033】 【表3】【0034】 【表4】【0035】表2は、図2の化合物の溶液のpHが高
く、受容相としてH2O及びpH1.5のHNO3を用い
た場合、K+がその他のアルカリ金属カチオンより選択
的に運搬されることを示している。表4は、図3の化合
物を高いpHで用い、受容相としてpH7のH2O及び
pH1.5のHNO3を用いた場合、他のアルカリカチ
オンより優先したL+に対する選択性及びこれより低い
程度のNa+に対する選択性を示している。 【0036】本発明は選択性の差についての理由又は仮
説に依存するものではない。この2種の配位子は中央空
孔のサイズが異なることは指摘することができる。アル
カリ金属イオンの径は次の順で小さくなる:Cs+
1.70A;Rb+=1.48A;K+=1.36A;N
+=1.01A;Li+=0.67A。選択性が空孔径
とカチオン径との間の錯体形成関係の関数であるといっ
ても十分よい。 【0037】表2の競争フラックスデータから明らかな
通り、K+は図2の大空孔ピリドンによって選択的に運
搬される。空孔径が図3の化合物の空孔径に縮小する
と、表4に見られる通り、Na+とL+が残りのカチオン
より選択的に運搬されることになる。この後者の場合、
Li+はNa+より2,3倍多く選択的に運搬される。N
+に対するLi+の選択性をさらに向上させることは、
n=0のときの図4のさらに小さな空孔のピリドン大環
状化合物の場合に期待することができる。 【0038】M+の選択性は問題のカチオンの相対的水
和エネルギーに関係がありそうである。というのは、錯
体形戒過程においてカチオンの部分的又は完全脱水が起
こるからである。 【0039】給源相のpH値を変化させた条件下でK+
の運搬率を測定するために図2の化合物を用いて実験を
行った。これにより給源相界面におけるプロトンをカチ
オンと交換することが示されるが、H2O(配位子から
のH+と給源相からのOH-)は液状隔膜相中に吸引され
る。このことは液状隔膜相における濁り(これは運搬度
と一致する)によって明示される。 【0040】MNO3とMOHとの混合物を給源相とし
て用いた。2種の溶質の相対量は調節して各場合に全M
+濃度を1.00Mに維持した。図6からわかる通り、
運搬量はpH12以下では小さいが、PH12以上では
急に増大する。この結果から、錯体形成過程においてプ
ロトンが配位子から除去されること及びかなりの量の運
搬が行われるためには給源相はかなり塩基性(pH>1
2)でなければならないことが確証される。 【0041】受容相の様々のpH値における種々の金属
イオンの運搬試験を本発明の種々の大環状化合物を用い
て前記の仕方で実施し、次の通り表5〜表10にまとめ
た結果を得た: 表5:図3の化合物によるリチウム金属イオンの運搬。 表6:X=0,n=1の場合の図4の化合物による銀金
属イオンの運搬。 表7:図4の化合物の硫黄同族体(X=S,n=2,y
=8)によるアルカリ金属イオンの、各種pH値の水性
給源相から液状隔膜相を横切って2種の異なる受容相、
pH7の水及びpH1.5の硝酸への非競争フラック
ス。 表8:pH14の水性給源相から図4の化合物(X=
S,n=2,y=8)を含有した液状隔膜相を横切って
硝酸受容相へ向うアルカリ金属イオンの競争フラック
ス。a欄は給源相中のイオン混合物を示し、b欄はpH
1.5の硝酸の受容相中のアルカリ金属フラックスの比
率を示す。 表9:種々のpHの水性給源相から図5の化合物を含有
した液状隔膜相を横切って2種の異なる受容相、pH7
の水とpH1.5の硝酸へ向うアルカリ金属イオンの非
競争フラックス。 表10は図1に示した種類の装置でプロトンイオン化性
トリアゾロクラウンエーテルを用いて行った銀と鉛との
分離に関するデータを示す。 【0042】 【表5】 【0043】 【表6】 【0044】 【表7】【0045】 【表8】 【0046】 【表9】【0047】 【表10】 【0048】図3の化合物(給源相のpHが14の場合
にリチウムに対して高い選択性を示すと前記した)の同
族体は図4aの化合物(X=0,n=1,y=8)であ
り、この化合物は給源相のpHが6.9及び受容相のp
Hが1.5(HNO3)において銀に対して高い運搬量
を示す。表6からわかる通り、受容相のpHが7(H2
O)であると運搬量は2倍以上になる。 【0049】銀イオンの運搬の際、図4aの化合物(X
=0,n=1,y=8)は頂部の酸素原子に移動したプ
ロトンを示し、ピリドン環構造が4−ヒドロキシピリジ
ン構造に変化しているので、アニオンが系を構切って金
属に従うのにちがいない。酸性受容相におけるAg+
運搬量が低いのは界面を横切ってAg++NO3 -を運搬
するのを受容相中のアニオンNO2 -が阻止するためであ
る。 【0050】エマルション液状隔膜中の図4aの化合物
(X=0,n=1,y=8)による銀の運搬量はバルク
液状隔膜中の運搬量に匹敵する。エマルション液状隔膜
はバルク液状隔膜と類似しているが、ただし、その隔膜
はエマルション小滴として受容相を包囲することによっ
て水性給源相と受容相とを分離している。検討したエマ
ルションにおいて、給源相は0.001M AgNO3
を含有し、隔膜は大環状化合物0.02Mのトルエン溶
液であり、ソルビタンモノオレエートを界面活性剤(3
%V/V)として使用し、受容相はMgS23(0.1
M)かHNO3(pH1.5)を含有していた。30分
後、Ag+の運搬量は受容相にMgS23が存在すると
きは98%であるのに対して、受容相にHNO3が存在
するときは12%であった。運搬量のこの差は運搬機構
によるものであり、バルク液状隔膜実験で見られる通
り、NO3 -が隔膜を横切って大環状化合物によって一緒
に運搬される。 【0051】図4の化合物の硫黄同族体(図4b参照:
X=S,n=2,y=8)はpH14の給源相では運搬
量が減少するようである(表7)が、それでもなお、競
争系においてK+に対してその他のアルカリ金属に対す
るより選択性がある(表8)。この硫黄同族体は給源相
の低pH範囲において選択的運搬を可能とする。 【0052】リン酸プロトンイオン化性化合物も高い運
搬量を示し(表9)、その結果は表7に示した結果と類
似していた。 【0053】表10は、プロトンイオン化性トリアゾロ
クラウンエーテルを用いて図1に示した種類の装置で行
った銀と鉛との分離に関するデータを示している。すべ
ての場合、銀はPb2+より選択的に運搬される。pH7
又はそれ以下の給源相を用いると、その他の、試験を行
ったすべてのカチオン(アルカリ及びアルカリ土類カチ
オン、Fe3+、Ca2+、Ni2+及びZn2+)は殆んど又
は全く運搬されない。酸性受容相の場合にAg+の運搬
量が大きいことから、これらのトリアゾロ大環状化合物
によるAg+の運搬はプロトンイオン化性機構によって
進行することがわかる。 【0054】隔膜としてのビス(オクチル)トリアゾロ
−18−クラウン−16 0.03Mのフェニルへキサ
ン溶液0.9ml、給源相としてのAgNO30.00
1MとPb(NO320.001Mの溶液9ml及びH
NO3受容相(pH=1.5)0.9mlから成るエマ
ルション液状隔膜は給源相中に最初に存在したAg+
70%及びPb2+のわずか1%を移送した. 【0055】ピス(オクチル)トリアゾロ−18−クラ
ウン−6 0.03Mのフェニルへキサン溶液4ml及
びAgNO3 0.001Mの水溶液4mlから成る溶剤
抽出系はプロトンイオン化性機構によってAg+をフェ
ニルへキサン中に定量的に抽出した。トリアゾロ型大環
状化合物は試験したその他のすべてのカチオンよりAg
+に対して選択性がある。 【0056】実施態様B:本発明のこの実施態様では、
図9に示す通り、カラムにはグラスウールの支持体上に
シリカゲルと共有結合した大環状化合物が充填されてい
る。図9において、カラムは参照番号30によって示さ
れ、適当な材料、例えばガラスの壁部32を有し、低部
34において、取手46によって回転可能な豆コック3
8を内部に有する栓36から成る閉鎖部材に向って傾斜
している。栓36は、豆コックが開放されているとき、
カラムと大気とに連絡可能な液体通路42を有する。豆
コック38は貫通した通路を有し、この通路はある位置
で通路42と整合して、液体をカラムからノズル48を
経て適当な容器(図示せず)へ排出が可能となり、別の
位置でこの排出を阻止する。グラスウールの支持体層は
図示の通りカラム30内で出口42の上方にあり、この
支持体層はその上方にあるシリカゲル−クラウン化合物
錯体の層を適当に支持し、この錯体の層は液体がゲル−
クラウン層を通って流れるのを妨げるようなことがな
い。 【0057】シリカゲルとクラウン化合物との錯体をつ
くる適当な方法が図7a、図7b及び図8に示されてい
る。図7a(ここで、nは0〜3であってよい)のクラ
ウン化合物は白金触媒の存在下でHSi(CH32と反
応して図7bの化合物を与え、この化合物を次にシリカ
ゲルと共に加熱すると図8のクラウン−シリカゲル結合
物が得られる。次に、この結合物を充分な量カラム30
でグラスウール支持体の頂部に入れ、カラム内を流れる
多カチオン液体中に含まれた目的カチオンの実質的に全
部でクラウン化合物を錯化させるに足る深さの層を得
る。 【0058】これらの化合物の選択的錯体形成は充填シ
リカゲルカラムの安定性が維持されている間は保持され
る。 【0059】さらに、これらの分離は、以下の実施例で
示される通り、溶液中での溶質−大環状化合物相互作用
の平衡定数に直接関連している。 【0060】実施態様Bの方法は、図7a、図7b及び
図8に示された化合物の代わりに、これらの図で示され
る方法における各群から選択された化合物を用いること
によって、開示されたその他の族からのその他のクラウ
ン化合物について実施することができる。 【0061】実施態様Bの実施例:クラウンエーテル側
鎖を有するシリカゲルの合成を次の通り行った。直径1
cm、長さ45cmの活性カラムにジメチルクロロシラ
ン(再蒸留物)1.0g及びベンゼン2.1gの混合物
を通して微量の不純物を除去した。還流冷却器を備えた
25mlの丸底フラスコ内でクラウンアルケン2.0g
を85℃に加熱し、アルゴンガスで1時間パージを行っ
た。触媒H2PtCl6を0.4%溶液(98THF,1
EtOH,1H2PtCl6)15μlとして加えた。反
応を10時間行わせた。次いで、この混合を、CCl4
に懸濁させたシリカゲル(60〜20のメッシン、35
0℃で4時間及び25℃で6時間乾燥したもの)25.
0gに加えた。この混合物を撹拌し、さらに24時間加
熱還流させた。次いで、濾過によりシリカゲルを集め、
CH2Cl2(25mlづつ)で5回及びMeOH(25
mlづつ)で3回洗浄した。最終生成物を乾燥し、洗浄
物をチェックして収率を求めた。残留物に基づいて、こ
の方法の収率は99%であった。 【0062】未結合シリカゲルを充填した第1カラムを
つくって、観測される分離が大環状化合物とではなくシ
リカゲルと溶質との相互作用によるものであるかどうか
をしらべた。第2カラムは18−クラウン−6に結合し
たシリカゲルを充填してつくった。いずれの円筒形カラ
ムも高さと直径はそれぞれ150cmと19cmであっ
た。各カラムについて全く同じ手順で行った。すべての
試験は3回行い、各試験における標準偏差は常に平均の
5%以下であった。 【0063】各試験において、カラムが溶質含有水溶液
と平衡になるようにカラムを出る液濃度がカラムに入る
液濃度と等しくなるまで溶質含有水溶液をカラムに通し
た。次いで、カラムを充分な量の水で洗浄してカラムに
結合しなかった溶質をカラムから除去した。溶質の使用
濃度に対して水を200ml使用すれば充分であった。
次いで、溶離剤溶液を、カラムから出る溶離剤溶液中に
溶質が検出されなくなるまでカラムに通した。次の溶質
含有水溶液を用いた:(A)Sr(NO32(Eish
er)対Mg(NO32、いずれの硝酸塩も0.1、
0.01及び0.001Mで存在する;(B)Sr(N
32対Ca(NO32(Baker&Adamso
n)、いずれの硝酸塩も0.1及び0.001Mで存在
する;(C)0.5MCa((NO32対0.001M
Sr(NO32;(D)0.1MSr(NO32対0.
1M、0.01M又は0.001MBa(NO32(B
aker);及び(E)0.9M Mg(NO32
0.1MCa(NO32対0.001MSr(N
32。 【0064】使用したアルカリ土類カチオンは水中で1
8−クラウン−16と相互反応し、酢酸塩又はクエン酸
塩によりカラムから容易に溶離される。Ba2+が存在す
るカチオンの一種である場合以外は、1.0Mのクエン
酸(Fisher)と2.5MLiOH(Pierc
e)とから調製した1.0Mクエン酸塩緩衝液を溶離剤
溶液として用いた。クエン酸バリウムが溶解度が低いの
で、Ba2+が存在する場合、1.0M酢酸(J.T.B
aker)と0.5MLiOHの緩衝液を溶離剤として
用いた。クエン酸塩は好適な溶離剤であり、その理由は
クエン酸塩−アルカリ土類カチオン相互作用に対する平
衡定数が、酢酸塩の対応する定数より大きいためであ
る。クエン酸塩と酢酸塩のいずれも各種アルカリ土類カ
チオンとの相互作用に対する平衡定数が同じであるの
で、溶離剤は分離の達成にほとんど影響を与えない。カ
ラムから集められた溶液はすべて原子吸光分光法(Pe
rkinElmer Model 603)によって適
当なアルカリ土類カチオン濃度について分析した。 【0065】実施態様Bの実施例の結果:結合シリカは
アルカリ土類カチオンと相互作用することもできるOH
部位を有し、この相互作用は、もし起これば、分離選択
率に影響を与えるので、アルカリ土類カチオンに対する
純シリカゲルの選択性が表11の「ブランクカラム選択
率」の欄に示されている。大環状化合物の選択率を求め
るため別の方法を用いることができ、その場合、2種の
カチオンと大環状化合物との相互作用特性は同じである
が、1種のカチオンが大環状化合物と優先的に相互作用
する。これは相互作用が低い方のカチオンを他方のカチ
オンより過剰に用いることによって行われるので、OH
部位のはとんどすべてが大環状化合物との相互作用の低
いカチオンとのみ相互作用を行い、観測される選択率の
変化は大環状化合物の相互作用特性によるものとなる。
表11にアルカリ土類カチオンに対する18−クラウン
−16−共有結合シリカゲルの選択率が示されている。
表11のデータを用いて一方のカチオンより他方のカチ
オンに対する大環状化合物の選択率を求める例はBa2+
/Sr2+によって与えられる。Sr2+がBa2+より過剰
に存在する(最後の2行)場合、Ba2+/Sr2+選択率
はブランク及び大環状化合物カラムのデータに比べて約
10倍増大する。この10倍の選択率は文献に報告され
ている大環状化合物−カチオン相互作用の平衡定数と一
致する。 【0066】 【表11】【0067】実施態様C:図10及び図11において、
ケーシング50は開放室55を残すように一方端に固定
された内部ヘッダー52と、開放室57を残すように他
方端に固定された同様の内部ヘッダー54とを有する。
室61内の各ヘッダ52,54間に各中空繊維56が図
示の通り取付けられている。ケーシング50は多イオン
液体のための供給管路60と連絡した、室57内への入
口開口58を有する。この多イオン液は各フィラメント
に入り、その中を通ってケーシング50の他方端にある
室55に流入し、この室55から開口62を経て排出管
路64に流出する。ケーシング50内のヘッダー52,
54間の室61は、その内部にフィラメント56の束が
位置し、液体供給管路68と連絡する入口開口66と管
路72に連絡する出口開口70とを有する。 【0068】図11は個々の中空繊維56の部分の構造
を示し、この繊椎の円筒形壁部には多数の細孔即ち開口
78が設けられている。室61に液相を充填し、有機液
体−配位子相を入口58から流入させ、次いで、細孔又
は開口78から以外の有機液体を、フラッシングする装
置に流入されるべきその他の液相を流入させることによ
って、各開口に実施態様Aに記載した種類の配位子含有
有機溶剤が充填される。中空繊維の開口を占める有機−
配位子液を介した2相間の極めて短い距離は、中空繊維
の壁の一方の側にある多カチオン液からその他方の側に
ある受容液までカチオンを配位子によって運搬するため
の極めて短い通路を与える。 【0069】使用時、分離されるべきカチオンを含有し
た液体は通常、繊維56の中空内部を流され、受容液は
室61内を流されるが、必ずしもこれが不可欠ではな
く、所望により逆にしてもよい。いずれにしろ、中空繊
維56の壁の両側を多カチオン液と受容液がそれぞれ流
れると、各開口78内にある大環状クラウン化合物は中
空繊維の壁厚の極めて短い距離によって分離されている
両液と充分に接触し、選択された目的カチオンの運搬距
離が極めて短くなり、運搬効率が極めて高くなる。 【0070】特定の大環状化合物を含有した中空繊維内
液状隔膜を用いた実施例としてK+をその他のアルカリ
カチオンから、またSr2+をその他のアルカリ土類カチ
オンから分離した。ジシクロへキサノ−18−クラウン
−6の疎水性同族体を含有したフェニルへキサン溶液を
隔膜として用いた。特に、すべてのカチオンが給源相中
にNO3 -塩化として0.1Mで存在し、大環状化合物が
隔膜中に0.05Mで存在し、受容相が水である場合、
+はNa+より60倍も多く運搬され、Sr2+はBa2+
より2倍も多く運搬された。本発明に記載した大環状化
合物は中空繊維系において同様に使用することができ
る。 【0071】本発明をある特定のプロトンイオン化性化
合物及びその利用法に関して説明してきたが、これらの
大環状化合物の同族体は本発明の化合物及び方法の範囲
に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】 【図1】本発明の方法の実施態様(A)で使用するのに
適した装置の一形態の縦断面の概略図である。 【図2】本発明の方法で使用される大環状化合物の好適
態様である本発明の特定化合物、即ち、オクチル置換4
−ピリドノ−18−クラウン−6の分子構造を表わす。 【図3】本発明の方法で使用される大環状化合物の好適
態様である本発明の特定化合物、即ち、オクチル置換4
−ピリドノ−15−クラウン−5の分子構造を表わす。 【図4】本発明のプロトンイオン化性大環状化合物の一
族の2種の異性体a及びbを表わし、nは0〜4の整
数、Xは酸素と硫黄とからなる群から選ばれ、yは6〜
18の整数である。溶液中では、図4aの4−ヒドロキ
シピリジン構造は図4bのピリドン構造と平衡状態にあ
る。 【図5】大環状分子内にリン酸基を有する本発明のプロ
トンイオン化性化合物の別の族を表わす。 【図6】隔膜相内の配位子として図2に示した化合物を
用いた場合、pH値7〜14の給源相からpH6の水又
はpH1.5の硝酸である受容相へ向うカチオンフラッ
クスをプロットした図である。 【第7図】プロトンイオン化性大環状化合物をシリカゲ
ルに結合させる際の反応を表わす。 【第8図】プロトンイオン化性大環状化合物をシリカゲ
ルに結合させる際の反応を表わす。 【図9】シリカゲル−プロトンイオン化性付加化合物を
保持するための適当なカラムの概略図であり、このカラ
ムに金属イオンの溶液を通して、本発明の実施態様
(B)に従って目的イオンと選択的に錯体形成させるこ
とができる。 【図10】本発明の実施態様(C)を実施するための適
当な装置を示す。 【図11】フィラメントの長さの一部を拡大してフィラ
メントの壁部にある開口を示す部分透視図である。 【図12】大環状化合物の一部としてトリアゾロ副環状
環系を有するプロトンイオン化性化合物の別の族を表わ
す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (73)特許権者 596118345 ジェイムス ジェイ.クリサンセン James J. Christnse n アメリカ合衆国 ユタ州 84604,プロ ボ,ノース 3100 ウエスト 128 (72)発明者 ジェラルド エス.ブラッドショー アメリカ合衆国 ユタ州 84604,プロ ボ,オーク レーン 1625 (72)発明者 リード エム.イザト アメリカ合衆国 ユタ州 84604,プロ ボ,リトル ロック ドライブ 3624 (72)発明者 ジェイムス ジェイ.クリサンセン アメリカ合衆国 ユタ州 84604,プロ ボ,ノース 3100 ウエスト 128 (56)参考文献 特開 昭62−210053(JP,A)

Claims (1)

  1. (57)【特許請求の範囲】 1. 多イオン溶液中で選択されたイオンをその他の
    複数イオンから分離する方法において、 【化1】から成る群から選択された化合物を選択されたイオンと
    錯体形成させ、選択されたイオンを多イオン溶液から除
    去させる条件下で前記多イオン溶液を前記化合物と接触
    させ、前記選択されたイオンが除去された前記多イオン
    溶液と前記錯体とを分離し、受容液中で前記錯体を分解
    して前記選択されたイオンを遊離させ、回収することを
    特徴とする方法。 2. 前記化合物と共有結合しているシリカゲルを充
    填したカラムに多イオン溶液を通過させて多イオン溶液
    を前記化合物と接触させ、この通過によりまず選択され
    たイオンと前記化合物との錯体形成が行われ、次いで溶
    液が錯体から分離され、前記カラムに受容液を通過させ
    ることによって錯体を分解して前記選択されたイオンを
    受容液に溶解させ、回収溶液を形成し、前記回収溶液か
    ら前記選択されたイオンを回収することをさらに特徴と
    する特許請求の範囲第1項記載の方法。 3. 前記多イオン溶液と前記受容液とに別々に接触
    している液状隔膜中に溶解した配位子としての前記化合
    物と多イオン溶液とを接触させ、配位子と多イオン溶液
    との接触により前記化合物と選択されたイオンとの錯体
    を形成させ、この錯体を液状隔膜を通して運搬して前記
    受容液と接触させ、この受容液は錯体を分解し、選択さ
    れたイオンを遊離させて受容液中に溶解させ、この受容
    液から選択されたイオンを回収することをさらに特徴と
    する特許請求の範囲第1項記載の方法。 4. 前記多イオン溶液、前記液状隔膜及び前記受容
    液を物理的バリヤーが分離していることをさらに特徴と
    する特許請求の範囲第3項記載の方法。 5. 前記多イオン溶液と前記受容液が前記液状隔膜
    中で別々に乳化されていることをさらに特徴とする特許
    請求の範囲第3項記載の方法。 6. 開口を有し、この開口内に前記液状隔膜を収容
    した中空繊維の璧面をはさんだ両側に前記多イオン溶液
    と前記受容液がそれぞれ存在することをさらに特徴とす
    る特許請求の範囲第3項記載の方法。 7. 開口を有し、この開口内に有機液体に溶解した
    配位子としての大環状化合物を含有した中空繊維の璧面
    をはさんだ両側に前記多イオン溶液と前記受容液がそれ
    ぞれ流れることをさらに特徴とする特許請求の範囲第1
    項記載の方法。
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