JP4198992B2 - ハロスルホニル基、又はジハロホスホニル基を含む化合物をフッ素化するための方法 - Google Patents

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Description

本発明は、特に電解質として使用する事が可能なフッ素化化合物を製造するための、フッ素化方法に関する。
リチウム電池は、そのアノードがリチウム金属のシート又はリチウムの合金で形成されており、電極間をリチウムイオンが移動することにより作動するもので、広く研究が行われてきた。しかしながら、リチウム電池を再充電する際に、樹脂状のリチウム金属が析出し、そのために短絡を招く可能性があり、系を破裂させてしまうということがその開発の障害となっていた。この危険性は、リチウム又はリチウム合金のアノードを、リチウムイオンを可逆的に授受することが可能な炭素材料を用いたアノードに置き換えることによって回避されている。この新しいタイプのリチウム電池は、「リチウムイオン」電池と呼ばれており、可搬式の電子機器の分野で広く使用されている。これらの電池の電解液には、少なくとも1種のリチウム塩を有機溶媒に溶解させた溶液を含むが、その有機溶媒は極性の非プロトン性液状溶媒(例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート又はジアルキルカーボネート)であって、任意に、多孔質プラスチック支持体、極性ポリマー(例えば架橋ポリ(エチレンオキシド))、又はポリマーによりゲル化された液状溶媒に支持されている。該リチウム塩が電池の作動に大きな役割を果たす。最も広く使用されている塩はLiPF6であり、これにより室温での電気伝導率が10-2S・cm-1以上である液状電解質を得ることが可能となる。しかしながら、熱安定性に限界があり、そのためにLiF及びHFが生成し、このHFが電解質の破壊を招いて、電池の破裂を生じる危険性がある。ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドのリチウム塩がLiPF6の代替として期待されていたが、これはカソードのアルミニウム集電体の脱不動態化を引き起こす欠点を有していることが判かっている。
次いで、FSO2又はF2POの電子吸引性基を有するイミド塩又はメタン塩を使用する事も検討された(国際特許公開WO第95/26056号参照)。これらの塩は、フッ素原子の代わりにペルフルオロアルキル基を含む類縁物よりも電気伝導率の高い電解質を与えることができ、またアルミニウム集電体に対する腐蝕性も著しく低い。FSO2又はF2PO基を有するイミド塩又はメタン塩を使用すれば、LiPF6で観察されるような腐食を低レベルに抑え、しかもLiPF6で問題であった熱的安定性も改良される。
少なくとも1つのFSO2又はF2PO基を含むイミド塩又はメタン塩を調製するための各種方法が公表されている。例えば、ビス(フルオロスルホニル)イミド、すなわち(FSO22NHは、フルオロスルホン酸FSO3Hと尿素H2NC(O)NH2とを反応させて得ることができる。次いで、ジクロロメタン中で反応混合物をNaClで処理することにより、このイミドを単離し、さらに純粋な酸を蒸留する(アッペル及びアイゼンハウアー(Appel & Eisenhauer)、Chem.Ber.,95、246〜8、1962)。しかしながら、FSO3Hの毒性と腐蝕性が大きな欠点である。
別の方法としては、(ClSO22NHをAsF3と反応させるものがある。次いで、ジクロロメタン中で反応混合物をNaClで処理することにより、酸である(FSO22NHを単離する(ルフ及びルスティッヒ(Ruff & Lustig)、Inorg.Synth.、1968、11、138〜43)。この方法での問題点は、特に、AsF3が高価なこと、毒性があること、及び得られる化合物に混入する危険性があることである。
ホスホリル誘導体に関しては、LiN(POF22の調製方法として、LiN(SiMe32をPOF3と反応させるものがある。揮発性のMe3SiFを除去すれば、目的の生成物を直接得ることができる(フルック及びボイエル(Fluck & Beuerle)、Z.Anorg.Allg.Chem.、412(1)、65〜70、1975)。この方法の欠点は、シリル化誘導体の価格と、気体で毒性のあるPOF3を使用することである。
例えばKFもしくはCsFのようなイオン性ハライド、又はテトラ(n−ブチル)アンモニウムフルオリドのような有機フルオリドを使用したハロゲン交換反応によって、対応するハロゲン化化合物からフッ素化化合物を調製できることが知られている。この反応は、求核置換反応であって、極性非プロトン性溶媒中で起きやすい。この交換反応は、相間移動触媒の存在下では促進されるが、そのような触媒は例えば、4級アンモニウム塩、クラウンエーテル、ピリジニウム塩又は4級ホスホニウム塩などから選択することができる。この方法はKFを用いて実施されており、特にモノフルオロアルカン、α−フルオロエステル、フルオロエーテル、アシルフルオリド又はスルホニルフルオリドが、それぞれ対応する、モノハロアルカン、α−ハロエステル、ハロエーテル、アシルハライド又はスルホニルハライドから合成されている(A.バスボア(Basbour)ら、M.ステイシー(Stacy)及び共編者、『フッ素化学の進歩(Advances in Fluorine Chemistry)』第3巻、バターウァークス社(Butterworks)、ワシントンD.C.、1963、p.181〜250)。
本発明者らが最近見出したところによると、驚くべきことに、このハロゲン/フッ素交換反応方法を使用することで、少なくとも1つの強い電子吸引性置換基と任意に酸性水素(hydrogene acide)とを担持する原子に付いた少なくとも1つのハロスルホニル又はジハロホスホリル基を有する各種化合物をフッ素化することが可能である。
従って本発明の目的は、少なくとも1つのハロスルホニル又はジハロホスホリル基(ただしここで、ハロゲンはフッ素以外のもの)及び少なくとも1つの強い電子吸引性基を含む化合物をフッ素化するための方法を提供することであり、特に、少なくとも1つのフルオロスルホニル又はジフルオロホスホリル基を含む対応する化合物を調製するものである。
本発明によるフッ素化方法は、適宜溶媒中で、フッ素化剤とハロスルホニル又はジハロホスホリル置換基(ただしここで、ハロゲンはフッ素以外のもの)を含む化合物(I)とを反応させることから成り、ここで前記フッ素化剤とは1価カチオンのイオン性フルオリドであり、化合物(I)は次式に相当するものである:
Figure 0004198992

式中、
・MはH、アルカリ金属、4級ホスホニウム基又は4級アンモニウム基を表す;
・ZはNを表す;
・YがSOを表してmが1であるか、又はYがPOであってmが2であるかのいずれかを表す;
・Rはハメットσパラメーターが0.4より大きい電子吸引性基を表す
Xはフッ素以外のハロゲンを表す。
この方法は、ZがNで表わされる化合物に特に適している。
この方法は大気圧下、温度180℃未満で好適に実施することができる。温度は好ましくは100℃未満であり、80℃未満であればより好ましい。室温以下の温度でこの反応を実施すると、反応速度が極端に遅くなる。反応媒体を加熱するには通常の手段を使用すれば良く、マイクロ波加熱を行っても構わない。反応媒体を撹拌したり超音波を当てれば、反応物が懸濁状態の場合にはその活性表面を置換するのに有用である。
この1価イオン性フルオリドは、アルカリ性フルオリド又は、安定なオニウムカチオンフルオリドであるのが良い。アルカリ金属の中では、K又はCsを使用するのが好適である。オニウムカチオンの中では、テトラアルキルアンモニウム、テトラアルキルホスホニウム又はジアルキルスルホニウムカチオンが好ましい。その中のアルキルラジカル(これはオニウムカチオンと同一であっても異なっていても良い)が炭素原子を1〜12,より好ましくは1〜4を有するようなオニウムカチオンが好ましい。上記のオニウムフルオリドが好適なのは、それらの有機溶媒に対する溶解性が高いからである。従ってそれらは単独でも使用できるし、より溶解性の低いイオン性フルオリドと組み合わせて使用することもできるが、後者の場合には、それらは電荷移動触媒として機能する。前記化合物(I)のカチオンMが、フルオリドに関して先に定義したようなアルカリ金属又はオニウムである場合、前記カチオンMのフルオリドを使用すると有利である。LiF又はNaFを使用すると、反応が比較的遅くはなるが、化合物(I)から得られるフッ素化生成物を電解質に使用する目的ならば、それらの使用も有利である。活性表面の高いイオン性フルオリドを使用するのが好ましい。
化合物(I)の量に対する、使用するイオン性フルオリドの量は、化学量論量よりも多くするのが好ましい。フルオリドのモル数の、化合物(I)中で交換されるハロゲンの原子数に対する比は、1.1〜2とするのが有利である。化合物(I)がイミド(式(I)において、MがH)の場合には、前記の比が2より大きいことが好ましく、3より大きければより好ましい。
本発明の方法は、MがHであるか、又は例えばNa、K、LiもしくはCsから選択されるアルカリ金属であるような化合物(I)をフッ素化するのに特に好適である。Mが4級アンモニウム又は4級ホスホニウム、すなわち、それぞれ式N(R3456)又はP(R3456)で表される場合、ここでの各種置換基Riは、それぞれ互いに独立して、好ましくは1〜12,より好ましくは1〜4の炭素原子を有するアルキルラジカルから選択される。
1は、そのハメットσpパラメーターが0.4より大きい電子吸引性ラジカルである。0.5より大きいσpを有するラジカルが好ましく、0.7より大きければ特に好ましい。このラジカルR1は、Zから数えて主鎖原子6個以内には陽電荷を有していないことが好ましい。ラジカルR1の例を挙げてみれば:
・X’SO2−ラジカル及び(X’)2PO−ラジカルで、ここで基X’又は2つの基X’が互いに独立して以下のものを表す:
・ハロゲン、
・R7CF2−ラジカルで、ここでR7は、F以外のハロゲン又は、好ましくは最大で 15の炭素原子を有する炭素ラジカル;
・炭素原子数15以下を有していると好ましい、ペルハロゲン化ラジカルRFで、式R8 (CX”2p−に相当するものであり、ここで:
*X”基のそれぞれが、互いに独立して、F、Cl又は炭素原子1〜5(好ましくは 炭素原子2)を有するペルフルオロアルキルラジカルであって、X”基の内の少なく とも1つがFであり、好ましくは硫黄又はリンに結合した炭素上に担持されている。 pは1又は2である;
*R8は電子吸引性原子又はラジカルで、そのσpが0より大きく(好ましくは、0. 1より大きく、より好ましくは0.2より大きい)、それに官能基がある場合には、 反応条件下では不活性な、例えば、F又は最大で8の炭素原子を有するペルフルオロ アルキルである;
・σpが0.4より大きい各種ラジカルで、特にゲリー・マーチ(Gerry March)による『高等有機化学(Advanced Organic Chemistry)第3版』、p.244に記載されているような、例えば、COOR’、COR’、SO2R’、PO(R’)2又はPO(OR’)2で、ここでR’は1〜15の炭素原子を有するアルキルラジカル又は6〜20の炭素原子を有するアリールラジカルであるのが好ましい。
好適な実施態様においては、R1−は、先に定義したようなX’SO2−又は(X’)2PO−ラジカルを表わす。
置換基R2は、炭素ラジカル及び/又は電子吸引性ラジカルを表わす。R2が電子吸引性ラジカルである場合には、ニトリルラジカル及び先にR1のために定義したようなラジカルから選択するのが有利である。R2が炭素基である場合、それを1〜20の炭素原子を有するラジカルから選択するのが好ましい。
化合物(I)が反応温度で液状であり、かつ、イオン性フルオリドがその液状化合物に溶解するならば、反応媒体に溶媒を添加することは必ずしも要しない。
2つの反応物質が固体状ならば、反応は液状溶媒の中で実施する。MがHでない場合には、非プロトン性溶媒を用いる。
1価フルオリド反応剤のカチオンの溶媒和作用(solvatation)を要する場合、ドナー数が10〜30、好ましくは20〜30を有する溶媒の使用が好ましい。溶媒のドナー数は−ΔHの値を表し、このΔHとは、ジクロロメタン希薄溶液中における溶媒と五塩化アンチモンとの間の相互作用のエンタルピー(kcal/mol)である(クリスチアン・ラインハート(Christian Reinhardt)『有機化学における溶媒及び溶媒効果(Solvant and Solvant Effects in Organic Chemistry)』、p.19、WCH、1988を参照されたい)。
良好な結果が得られる溶媒としては特にアミドであり、中でも四置換尿素や一置換ラクタムのような特定の性質を有するアミドがこれに含まれる。このアミドは置換されている(通常のアミドを二置換した)ものが好ましい。例としては、例えばN−メチルピロリドン、N,N−ジメチルホルムアミド又はN,N−ジメチルアセトアミドなどのピロリドン誘導体が挙げられる。その他特に好適なタイプの溶媒は、対称又は非対称、直鎖又は環状のエーテルがあり、例えばグライム類、例えばジグライムなどのグリコールエーテルの各種誘導体がこれに含まれる。このように、価格及び特性からみて最も好適な溶媒は、エーテル類(特に例えばTHFなどの環状エーテル、又は例えばグライム類などの多官能エーテル)又は、酸性の水素を有していないアミド類で、例えばDMF又はN,N’−ジアルキルアルキレンウレア、中でも、DMEU(N,N’−ジメチルエチレンウレア)又はDMPU(N,N’−ジメチルプロピレンウレア)から選択することができる。さらに挙げれば、N−メチルピロリドン及び窒素部分をペルアルキル化した環状尿素などもある。
さらに、溶媒としてニトロメタンも使用することができる。
反応収率を向上させるために、反応媒体に相間移動触媒を添加するのも好都合である。この添加は特に、非極性又は極性があまり強くない溶媒中で反応を実施する場合に有用である。相間移動触媒の例として、4級アンモニウム塩、クラウンエーテル、ピリジニウム塩又は4級ホスホニウム塩が挙げられる。相間移動触媒を添加する目的は、使用するアルカリイオン性フルオリドの比較的低い溶解性を向上させる為である。本発明の方法では、
フッ素化反応剤として使用可能な溶解性の高いイオン性フルオリドを、溶解性の低いフルオリド反応剤と組み合わせて、相間移動触媒として使用することができる。その例として、オニウムフルオリド及びセシウムフルオリドがある。
この化合物(I)は従来からの技術により調製することができる。イミド塩は、その酸の形が反応条件下では揮発性である塩と対応するイミドとを反応させることによって得ることができる。例えば、プロトン性媒体中でイミドにアルカリ水素化物を作用させれば、イミド塩の無水物を得ることができる。例えばブチルリチウムなどのアルキル金属化合物をイミドと反応させることも可能で、対応するイミド塩とアルカンが得られ、該アルカンが低級アルカンならば揮発性である。さらに、対応するカルボン酸が揮発性である程度に充分に分子量の低いカルボキシレートで交換させることによって、対応するイミドからイミド塩を得ることも可能である。
本発明を以下の例を用いて説明するが、本発明はこれらに限定される訳ではない。
3.556g(137.1mM)のLiFを反応器の中の5mlのニトロメタン中に加え、ガラスビーズの存在下、この反応媒体を18時間撹拌した。次いで、5mlのニトロメタン中に4.907g(0.22926mM)のビス(クロロスルホニル)イミドを溶解させた溶液を撹拌しながら滴下したが、この場合のLiF/イミドのモル比は約6であった。反応は一晩続けた。沈降により固形の残渣を分離し、上澄み液を回収してNMRによりフッ素の分析を行った。
分析の結果、各種のケミカルシフトの位置に、ピーク高さの異なるフッ素シングレットの存在が観察された。
Figure 0004198992
この反応を2週間継続させた後ではピーク高さに変化が認められ、主成分は目的であるリチウムビス(フルオロスルホニル)イミドであった。
4.111g(19.205mM)のビス(クロロスルホニル)イミドを5mlのニトロメタンに溶解させた。細かく粉砕した6.549g(155.97mM)のNaFを、撹拌しながら0℃で添加した。NaF/イミドのモル比は約8である。この反応混合物を室温に戻し、次いでガラスビーズ3つの存在下で60時間撹拌した。沈降による分離後、透明な上澄み液をフッ素NMR分析すると、目的である生成物の存在が認められた。
4.361g(75.06mM)のKFを、5mlのニトロメタンに懸濁させ、次いで、3.176g(14.84mM)のビス(クロロスルホニル)イミドを3mlのニトロメタンに溶解させた溶液を撹拌しながら添加した。KF/イミドのモル比は約5である。
この反応混合物を加熱し、ガラスビーズを添加して反応器を14時間撹拌した。次に、新しく3.49g(60.034mM)のKFを添加して、さらに18時間混合物を撹拌した。溶液の色は暗い橙色に変化した。固体状の粒子を沈降により分離してから、フッ素NMR分析を行ったところ、ケミカルシフト51.5ppmの位置に、主生成物のピーク(シングレット)が認められた。これは出発物質の99%が転化したことに相当する。得られた主生成物は、ビス(フルオロスルホニル)イミドカリウムである。
この実施例の手順を用いてさらに3件の実験を行ったが、それぞれ、ビス(クロロスルホニル)イミドの代わりに、φ−SO2NHSO2Cl、CF3SO2NHSO2Cl及び(φ−SO22CHSO2Clを使用し、主生成物として以下の化合物が認められた:φ−SO2NKSO2F(φ−SO2NHSO2Clから)、CF3SO2NKSO2F(CF3SO2NHSO2Clから)及び(φ−SO22CKSO2F((φ−SO22CHSO2Clから)。
4.421g(29.104mM)のCsFを、ガラスビーズを使用して撹拌しながら、2mlのニトロメタン中に分散させた。5mlのニトロメタン中に2.243g(10.480mM)のビス(クロロスルホニル)イミドを溶解させた溶液を、撹拌しながら滴下により添加した。このCsF/イミドのモル比は約3である。72時間反応をさせた後、6時間撹拌させてから、上澄み液のフッ素NMR分析を行うと、以下のピークが認められた。
Figure 0004198992
出発物質のイミドの80%がビス(フルオロスルホニル)イミドに転化されたことが判った。
ビス(ジクロロホスホリル)イミドを実施例3と同様の方法でKFと反応させた。出発物質は収率90%転化され、主生成物としてカリウムビス(ジフルオロホスホリル)イミドが認められた。
ビス(ジクロロホスホリル)イミドは、リーセル(Riesel)らが記載した方法によって調製することができる(リーセル、プフェッツナー及びヘルマン(Riesel、Pfuetzner & Hermann)、Z.Chem.、23(9)、344〜5、1983)。

Claims (22)

  1. 少なくとも1つのハロスルホニル基、又はジハロホスホリル基(ただしここで、ハロゲンはフッ素以外のもの)及び少なくとも1つの強い電子吸引性基を含む化合物(I)をフッ素化するための方法であって、適宜溶媒中で、フッ素化剤を前記化合物と反応させることから成り、ここで、前記フッ素化剤とは1価カチオンのイオン性フルオリドであって、化合物(I)は次式に相当するものである方法:
    Figure 0004198992
    式中、
    ・MはH、アルカリ金属、4級ホスホニウム基又は4級アンモニウム基を表す;
    ・ZはNを表す;
    ・YはSOを表してmが1であるか、又はYがPOであってmが2であるかのいずれかを表す;
    ・Rはハメットσパラメーターが0.4より大きい電子吸引性基を表す
    Xはフッ素以外のハロゲンを表す。
  2. 大気圧で実施する、請求項1に記載の方法。
  3. 温度180℃未満で実施する、請求項1に記載の方法。
  4. 前記1価イオン性フルオリドがKF又はCsFである、請求項1に記載の方法。
  5. 前記1価イオン性フルオリドが、テトラアルキルアンモニウム、テトラアルキルホスホニウム又はジアルキルスルホニウムフルオリドである、請求項1に記載の方法。
  6. 前記1価フルオリドカチオンのアルキル基が炭素原子1〜12を有する、請求項5に記載の方法。
  7. 前記フルオリドのモル数の、化合物(I)中で交換されるハロゲン原子数に対する比が1よりも大きい、請求項1に記載の方法。
  8. 前記フルオリドのモル数の、化合物(I)中で交換されるハロゲンの原子数に対する比が、1.1〜2である、請求項7に記載の方法。
  9. 前記フルオリドのモル数の、化合物(I)中で交換されるハロゲンの原子数に対する比が、MがHの場合には、2よりも大きい、請求項7に記載の方法。
  10. MがH、アルカリ金属、4級アンモニウムであるN(R)、又は4級ホスホニウムであるP(R)を表し、ここで各種置換基Rがそれぞれ互いに独立して、1〜12の炭素原子を有するアルキルラジカルから選択される、請求項1に記載の方法。
  11. 前記カチオンMが1価フルオリドカチオンである、請求項1に記載の方法。
  12. が、ハメットσパラメーターが0.7より大きい電子吸引性基である、請求項1に記載の方法。
  13. X’SO−又は(X’)PO−ラジカルである請求項1に記載の方法。ここでX’は以下のもので表される:
    ・ハロゲン、
    ・RCF−ラジカル(ここでRは、F以外のハロゲン又は炭素ラジカル);
    ・ペルハロゲン化ラジカルRで、R(CX”−に相当するが、ここで:
    *X”基のそれぞれが、互いに独立して、F、Cl又は1〜5の炭素原子を有するペルフルオロアルキルラジカルであって、X”基の内の少なくとも1つがFであり、pが1又は2を表す;
    *Rは電子吸引性原子又はラジカルで、そのσは0より大きく、それに官能基がある場合には、その官能基は反応条件下で不活性である。
  14. が、最大で15の炭素原子を有する炭素ラジカルである、請求項13に記載の方法。
  15. 少なくとも1つのX”基が、1〜5の炭素原子を有するペルフルオロアルキルラジカルを表す、請求項13に記載の方法。
  16. 少なくとも1つのX”基が、硫黄又はリンに結合した炭素によって担持されたF原子である、請求項13に記載の方法。
  17. がF又は、最大で8の炭素原子を有するペルフルオロアルキルラジカルである、請求項13に記載の方法。
  18. が、COOR’、COR’、SOR’、PO(R’)又はPR(OR’)ラジカルを表し、ここでR’が1〜15の炭素原子を有するアルキルラジカル、又は6〜20の炭素原子を有するアリールラジカルである、請求項1に記載の方法。
  19. 非プロトン性溶媒中で実施される、請求項1に記載の方法。
  20. 前記溶媒がニトロメタンである、請求項1に記載の方法。
  21. 置換又は非置換アミド、及び対称又は非対称そして環状又は非環状のエーテルから選択される溶媒中で実施される、請求項1に記載の方法。
  22. 相間移動触媒が添加される、請求項1に記載の方法。
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