JP5435595B2 - イオン性有機化合物及びその製法、並びに該イオン性有機化合物からなるカーボンナノチューブ分散剤 - Google Patents
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Description
しかしながら、CNT自身の高いvan der Waals相互作用による会合(バンドル化)のために、CNTの溶媒への可溶化・分散化は極めて困難であり、材料開発・応用の大きな妨げとなっている。
しかしながら、化学的な官能基生成では、CNTの物性の変化が避けられないこと、また分散剤を用いる場合でも、特殊な装置を用いた高出力超音波照射が必要な場合が多いことなど、依然多くの課題が残されている。
本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであって、CNTが溶媒中に安定に分散した溶液を簡便かつ迅速に製造する手法を提供することにある。
(1)下記一般式(I)で表されるイオン性有機化合物。
(2)前記一般式(I)において、Xがハロゲン原子(F、Cl、Br、I)、テトラフルオロホウ酸基(BF4)、ヘキサフルオロリン酸(PF6)、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド(TFSA)、チオイソシアネート(SCN)、硝酸基(NO3)、硫酸基(SO4)、チオ硫酸基(S2O3)、炭酸基(CO3)、炭酸水素基(HCO3)、リン酸基、亜リン酸基、次亜リン酸基、各ハロゲン酸化合物酸基(AO4、AO3、AO2、AO:A=Cl、Br、I)、トリス(トリフルオロメチルスルホニル)炭素酸基、トリフルオロメチルスルホン酸基、ジシアンアミド基、酢酸基(CH3COO)、ハロゲン化酢酸基((CAnH3−n)COO、A=F、Cl、Br、I;n=1、2、3)、テトラフェニルホウ酸基(BPh4)及びその誘導体(B(Aryl)4:Aryl=置換フェニル基)からえらばれた少なくとも1種であることを特徴とする、(1)に記載のイオン性有機化合物。
(3)(A)下記一般式(II)で表される、両末端に(クロロメチル)ベンズアミド基を有する化合物と、(B)下記一般式(III)で表されるアミン類を4級化反応させることを特徴とする、(1)に記載のイオン性有機化合物の製造方法。
(4)4級化反応をジメチルホルムアミドもしくはアセトニトリル中で、50〜80℃で行うことを特徴とする、(3)に記載のイオン性化合物の製造方法。
(5)さらに、得られたイオン性化合物のアニオンをアニオン交換反応により他のアニオンに置換することを特徴とする、(3)又は(4)に記載のイオン性化合物の製造方法。
(6)(1)に記載されたイオン性有機化合物からなるCNT分散剤。
(7)(6)に記載のCNT分散剤を含むCNT分散液。
以下の実施例において、有機イオン性化合物を製造する原料となる4−(クロロメチル)ベンゾイルクロリド、4,4’−ジアミノ−3,3’−ジメトキシビフェニル(o―ジアニシジン)、4,4’−ジアミノベンズアニリド、ビス(4−アミノフェニル)メタン、2,7−ジアミノフルオレン、o―トルイジン、3,3’,5,5’−テトラメチルベンジジン、m−フェニレンジアミン、trans−1,4−ジアミノシクロヘキサン、エチルジメチルアミン、n−プロピルジメチルアミン、n−ブチルジメチルアミン、n−ヘキシルジメチルアミン、n−オクチルジメチルアミン、n−デシルジメチルアミン、n−ドデシルジメチルアミン、アセトニトリルは東京化成工業から購入したものを用いた。脱水塩化メチレン、N,N−ジメチルホルムアミドは関東化学から購入したものを用いた。トリエチルアミンは和光純薬工業から購入したものを用いた。リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドは、キシダ化学から購入したものを用いた。
4,4’−ジアミノ−3,3’−ジメトキシビフェニル(o―ジアニシジン)(2.44g、10.0 mmol)とトリエチルアミン(2.23 g、22.0 mmol)を脱水塩化メチレン(90 mL)に溶かした。そこに、4−クロロメチルベンゾイルクロリド(3.78 g、20.0 mmol)の脱水塩化メチレン(60 mL)溶液を攪拌しながら1時間かけて加えた。その後、4時間、加熱還流させた後、室温で13時間攪拌した。沈殿物をろ別して、下記の式(2)で表される表題化合物を黄色粉末として得た。収量4.69g、収率85%。得られた化合物のプロトンNMRスペクトルから、その構造を確認した。1H-NMR(300MHz,DMSO-d6)δ3.97(s,6H),4.86(s,4H),7.33(dd,J=2Hz,8Hz,2H),7.39(d,J=2Hz,2H),7.60(d,J=8Hz,4H),7.90(d,J=8Hz,2H),7.99(d,J=8Hz,4H),9.53(s,2H).
上記実施例1における4,4’−ジアミノ−3,3’−ジメトキシビフェニル(o―ジアニシジン)に代えて、4,4’−ジアミノベンズアニリドを使用した以外は、実施例1と同様にして下記の式(4)で表わされる表題化合物を得た。収率96%。生成物は溶媒に溶けにくい化合物であった。
上記実施例2において、n−ヘキシルジメチルアミンに代えて、n−オクチルジメチルアミンを使用した以外は、実施例2と同様にして下記の式(6)で表されるイオン性有機化合物を得た。収率73%。得られた化合物のプロトンNMRスペクトルから、その構造を確認した。1H-NMR(300MHz,DMSO-d6)δ0.86-0.88(m,6H),1.28-1.32(m,20H),1.81(br,4H),2.99(s,12H),3.26(br,4H),4.61-4.62(m,4H),7.70-7.78(m,8H),8.00(q,J=8.5Hz,4H),8.13(t,J=8.5Hz,4H),10.23(s,1H),10.41(s,1H),10.70(s,1H).
上記実施例2において、n−ヘキシルジメチルアミンに代えて、エチルジメチルアミンを使用した以外は、実施例2と同様にして下記の式(7)で表されるイオン性有機化合物を得た。収率69%。得られた化合物のプロトンNMRスペクトルから、その構造を確認した。1H-NMR(300MHz,DMSO-d6)δ1.36(t,J=7.2Hz,6H),2.97(s,12H),3.35(t,J=7.3Hz,4H),4.61(s,4H),7.71-7.78(m,8H),8.00(q,J=9.1Hz,4H),8.13(t,J=8.6Hz,4H),10.23(s,1H),10.42(s,1H),10.71(s,1H).
上記実施例1における4,4’−ジアミノ−3,3’−ジメトキシビフェニル(o―ジアニシジン)に代えて、2,7−ジアミノフルオレンを使用した以外は、実施例1と同様にして下記の式(8)で表わされる表題化合物を得た。収率99%。得られた化合物のプロトンNMRスペクトルから、その構造を確認した。1H-NMR(300MHz,DMSO-d6)δ3.96(s,2H),4.86(s,4H),7.61(d,J=8Hz,4H),7.73-7.82(m,4H),7.97(d,J=8Hz,4H),8.07(s,2H),10.34(s,2H).
上記実施例5において、n―ブチルジメチルアミンに代えて、n―エチルジメチルアミンを使用した以外は、実施例5と同様にして、下記の(10)で表わされるイオン性有機化合物を得た。収率92%。得られた化合物のプロトンNMRスペクトルから、その構造を確認した。1H-NMR(300MHz,DMSO-d6)δ1.37(t,J=7.2Hz,6H),2.98(s,12H),3.38-3.42(m,4H),3.97(s,2H),4.62(s,4H),7.72-7.85(m,8H),8.14(d,J=8.5Hz,6H),10.52(s,2H).
上記実施例1における4,4’−ジアミノ−3,3’−ジメトキシビフェニル(o―ジアニシジン)に代えて、o―トルイジンを使用した以外は、実施例1と同様にして下記の式(11)で表わされる表題化合物を得た。収率98%。得られた化合物のプロトンNMRスペクトルから、その構造を確認した。1H-NMR(300MHz,DMSO-d6)δ2.33(s,6H),4.86(s,4H),7.46(d,J=8.2Hz,2H),7.53-7.62(m,8H),8.01(d,J=8.2Hz,4H),9.94(s,2H).
4H),10.12(s,H).
上記実施例7において、n―ブチルジメチルアミンに代えて、n―エチルジメチルアミンを使用した以外は、実施例7と同様にして、下記の(13)で表わされるイオン性有機化合物を得た。収率89%。得られた化合物のプロトンNMRスペクトルから、その構造を確認した。1H-NMR(300MHz,DMSO-d6)δ1.37(t,J=7.1Hz,6H),2.33(s,6H),2.98(s,12),3.38-3.43(m,4H),4.63(s,4H),7.44(d,J=8.3Hz,2H),7.56(d,=8.3Hz,2H),7.63(s,2H),7.74(d,J=8.3Hz,4H),8.15(d,J=8.2Hz,4H),10.14(s,2H).
上記実施例1における4,4’−ジアミノ−3,3’−ジメトキシビフェニル(o―ジアニシジン)に代えて、3,3’,5,5’−テトラメチルベンジジンを使用した以外は、実施例1と同様にして下記の式(14)で表わされる表題化合物を得た。収率97%。得られた化合物のプロトンNMRスペクトルから、その構造を確認した。1H-NMR(300MHz,DMSO-d6)δ2.26(s,12H),4.86(s,4H),7.46(s,4H),7.61(d,J=8Hz,4H),8.02(d,J=8Hz,4H),9.84(s,2H).
上記実施例1における4,4’−ジアミノ−3,3’−ジメトキシビフェニル(o―ジアニシジン)に代えて、ビス(4−アミノフェニル)メタンを使用した以外は、実施例1と同様にして下記の式(16)で表わされる表題化合物を得た。収率98%。得られた化合物のプロトンNMRスペクトルから、その構造を確認した。1H-NMR(300MHz,DMSO-d6)δ3.90(s,2H),4.84(s,4H),7.20(d,J=8Hz,4H),7.58(d,J=8Hz,4H),7.68(d,J=8Hz,4H),7.94(d,J=8Hz,4H),10.21(s,2H).
上記実施例1における4,4’−ジアミノ−3,3’−ジメトキシビフェニル(o―ジアニシジン)に代えて、1,3−ジアミノベンゼン(m−フェニレンジアミン)を使用した以外は、実施例1と同様にして下記の式(18)で表わされる表題化合物を得た。収率98%。得られた化合物のプロトンNMRスペクトルから、その構造を確認した。1H-NMR(300MHz,DMSO-d6)δ4.85(s,4H),7.29-7.35(m,1H),7.48-7.52(m,2H),7.59(d,J=8.3Hz,4H),7.98(d,J=8.3Hz,4H),8.32(s,1H),10.33(s,2H).
上記実施例11において、n−ヘキシルジメチルアミンに代えて、n―ブチルジメチルアミンを使用した以外は、実施例11と同様にして、下記の(20)で表わされるイオン性有機化合物を得た。収率59%。得られた化合物のプロトンNMRスペクトルから、その構造を確認した。1H-NMR(300MHz,DMSO-d6)δ0.97(t,J=7.2Hz,6H),1.34(qt,J=7.4Hz,4H),1.80(br,4H),3.00(s,12H),3.27(br,4H),4.63(s,4H),7.31-7.37(m,1H),7.51-7.54(m,2H),7.72(d,J=8.3Hz,4H),8.12(d,J=8.3Hz,4H),8.41(s,1H),10.49(s,2H).
上記実施例11において、n−ヘキシルジメチルアミンに代えて、エチルジメチルアミンを使用した以外は、実施例11と同様にして、下記の(21)で表わされるイオン性有機化合物を得た。収率55%。得られた化合物のプロトンNMRスペクトルから、その構造を確認した。1H-NMR(300MHz,DMSO-d6)δ1.36(t,J=7.1Hz,6H),2.98(s,12H),3.35-3.43(m,4H),4.63(s,4H),7.34(t,J=8.5Hz,1H),7.52-7.55(m,2H),7.73(d,J=8.3Hz,4H),8.12(d,J=8.2Hz,4H),8.41(s,1H),10.51(s,2H).
上記実施例1における4,4’−ジアミノ−3,3’−ジメトキシビフェニル(o―ジアニシジン)に代えて、trans−1,4−ジアミノシクロヘキサンを使用した以外は、実施例1と同様にして下記の式(22)で表わされる表題化合物を得た。収率90%。得られた化合物のプロトンNMRスペクトルから、その構造を確認した。1H-NMR(300MHz,DMSO-d6)δ1.43-1.49(m,4H),1.89-1.91(m,4H),3.77(br,2H),4.81(s,4H),7.51(d,J=8.2Hz,4H),7.84(d,J=8.2Hz,4H),8.29(d,J=7.8Hz,2H).
上記実施例14において、n−ヘキシルジメチルアミンに代えて、n―ブチルジメチルアミンを使用した以外は、実施例12と同様にして、下記の(24)で表わされるイオン性有機化合物を得た。収率80%。得られた化合物のプロトンNMRスペクトルから、その構造を確認した。1H-NMR(300MHz,DMSO-d6)δ0.95(t,J=7.2Hz,6H),1.31(qt,J=7.5Hz,4H),1.47-1.53(m,4H),1.75-1.80(m,4H),1.89-1.91(m,4H),2.97(s,12H),3.23-3.39(m,4H),3.80(br,2H),4.59(s,4H),7.64(d,J=8.3Hz,4H),7.99(d,J=8.3Hz,4H),8.49(d,J=7.9Hz,2H).
上記実施例14において、n−ヘキシルジメチルアミンに代えて、エチルジメチルアミンを使用した以外は、実施例12と同様にして、下記の(25)で表わされるイオン性有機化合物を得た。収率82%。得られた化合物のプロトンNMRスペクトルから、その構造を確認した。1H-NMR(300 MHz,DMSO-d6)δ1.34(t,J=7.1Hz,6H),1.47-1.54(m,4H),1.89-1.91(m,4H),2.94(s,12H),3.37(br,4H),3.80(br,2H),4.58(s,4H),7.64(d,J=8.2Hz,4H),7.99(d,J=8.3Hz,4H),8.49(d,J=7.9Hz,2H).
上記実施例14において、n−ヘキシルジメチルアミンに代えて、n−オクチルジメチルアミンを使用した以外は、実施例12と同様にして、下記の(26)で表わされるイオン性有機化合物を得た。収率81%。得られた化合物のプロトンNMRスペクトルから、その構造を確認した。1H-NMR(300MHz,DMSO-d6)δ0.85-0.89(m,6H),1.27-1.30(m,20H),1.47-1.53(m,4H),1.78(br,4H),1.89-1.91(m,4H),2.96(s,12H),3.22-3.28(m,4H),3.81(br,2H),4.58(s,4H),7.63(d,J=8.2Hz,4H),7.99(d,J=8.2Hz,4H),8.48(d,J=7.9Hz,2H).
上記実施例14において、n−ヘキシルジメチルアミンに代えて、n−デシルジメチルアミンを使用した以外は、実施例12と同様にして、下記の(27)で表わされるイオン性有機化合物を得た。収率65%。得られた化合物のプロトンNMRスペクトルから、その構造を確認した。1H-NMR(300MHz,DMSO-d6)δ0.84-0.88(m,6H),1.26(br,28H),1.47-1.53(m,4H),1.78(br,4H),1.89-1.91(m,4H),2.96(s,12H),3.22-3.28(m,4H),3.81(br,2H),4.58(s,4H),7.63(d,J=8.3Hz,4H),7.99(d,J=8.2Hz,4H),8.48(d,J=8.0Hz,2H).
上記実施例14において、n−ヘキシルジメチルアミンに代えて、n−ドデシルジメチルアミンを使用した以外は、実施例12と同様にして、下記の(28)で表わされるイオン性有機化合物を得た。収率63%。得られた化合物のプロトンNMRスペクトルから、その構造を確認した。1H-NMR(300MHz,DMSO-d6)δ0.83-0.88(m,6H),1.25(br,36H),1.47-1.53(m,4H),1.78(br,4H),1.89-1.91(m,4H),2.96(s,12H),3.22-3.27(m,4H),3.81(br,2H),4.58(s,4H),7.63(d,J=8.3Hz,4H),7.99(d,J=8.3Hz,4H),8.48(d,J=7.9Hz,2H).
上記実施例1で得られた式(3)で表されるイオン性化合物(150mg)を100℃で水(20 mL)に溶かし、その溶液に0.4M濃度のリチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド(Li-TFSA)水溶液(7.6mL)を加えると、下記の式(29)で表される化合物の沈殿物が定量的に生じた。得られた化合物のプロトンNMRスペクトルから、その構造を確認した。得られた化合物のプロトンNMRスペクトルから、その構造を確認した。1H-NMR(300MHz,DMSO-d6)δ0.86(t,J=6.7Hz,6H),1.29(br,12H),1.77(br,4H),2.95(s,12H),3.22-3.29(m,4H),3.93(s,6H),4.55(s,4H),7.31-7.36(m,4H),7.67(d,J=8.2Hz,4H),7.82(d,J=8.2Hz,2H),8.08(d,J=8.3Hz,4H),9.59(s,2H).
上記実施例20で、式(3)の代わりに、式(5)で表わされるイオン性化合物を用いた以外は、実施例20と同様にして、下記の式(30)で表される化合物の沈殿物が定量的に生じた。
上記実施例20で、式(3)の代わりに、式(23)で表わされるイオン性化合物を用いた以外は、実施例20と同様にして、下記の式(31)で表される化合物の沈殿物が定量的に生じた。
上記実施例7で得られるイオン性有機化合物(12)30mgを、サンプル管中で脱イオン処理後の純水3mLと混合し、加熱して均一な溶液を得た。この溶液にアーク放電法により作製された多層カーボンナノチューブ1mgを混合し、洗浄用超音波照射装置(130W,35kHz)を用いて30分超音波照射することにより、黒色のカーボンナノチューブ均一分散水溶液となり、沈殿は生じなかった。この結果を図1に示す。(a)は超音波照射前で、(b)は超音波照射後である。
同様にして、化合物(3)、(5)、(6)、(7)、(9)、(10)、(13)、(15)、(17)、(19)、(20)、(21)、(26)〜(28)を用いて、多層カーボンナノチューブ均一分散水溶液を調製することができた。
CNT分散液を調製するためのイオン性有機化合物の濃度範囲は、1g〜20g/L程度であり、好適には5〜10g/L程度である。また、分散できる多層カーボンナノチューブの含有量は、1〜3g/Lであった。
実施例7で得られるイオン性有機化合物(12)30mgを、サンプル管中で脱イオン処理後の純水3mLと混合し、加熱して均一な溶液を得た。この溶液にHigh-pressure carbon monoxide(HiPco)法により作製された単層カーボンナノチューブ1mgを混合し、洗浄用超音波照射装置(130W,35kHz)を用いて30分超音波照射することにより、黒色の単層カーボンナノチューブ均一分散水溶液となり、沈殿は生じなかった。この結果を図2に示す。(a)は超音波照射前で、(b)は超音波照射後である。さらに溶媒に重水を用いることで、同様のSWCNT溶液が得られ、その溶液を計2時間遠心分離(4000rpm)した後、そのUV-vis-NIRスペクトルより、孤立分散状態が確認された(図3)。
同様にして、化合物(3)、(5)、(6)、(7)、(9)、(15)、(17)を用いて、SWCNT均一分散水溶液を調製することができた。
SWCNT分散液を調製するためのイオン性有機化合物の濃度範囲は、1g〜20g/L程度であり、好適には5〜10g/L程度である。また、分散できるSWCNTの含有量は、1〜3g/Lであった。
実施例7で得られるイオン性有機化合物(12)10mgを、サンプル管中で脱イオン処理後の純水20mLと混合し、超音波洗浄装置BRANSONIC 2を用いて超音波処理(90W,42kHz)して均一な溶液を得た。この溶液にHigh-pressure carbon monoxide(HiPco)法により作製された単層カーボンナノチューブ7mgを混合し、50mLの広口瓶に入れ、超音波ホモジナイザーBRANSON Advanced Digital Sonifire 250D(20W,19.9kHz)を用いて4時間超音波照射することにより、黒色の単層カーボンナノチューブ均一分散水溶液となった。その溶液を冷却遠心機eppendorf Cetrifuge 5417R(アングルローター:FA45-24-11)を用いて計15時間遠心分離(16400rpm、28500xg)した後、そのUV-vis-NIRスペクトル(SHIMADZU UV-3150)測定により良好な分散状態が確認された(図4)。
Claims (7)
- 下記一般式(I)で表されるイオン性有機化合物。
- 前記一般式(I)において、Xがハロゲン原子(F、Cl、Br、I)、テトラフルオロホウ酸基(BF4)、ヘキサフルオロリン酸(PF6)、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド(TFSA)、チオイソシアネート(SCN)、硝酸基(NO3)、硫酸基(SO4)、チオ硫酸基(S2O3)、炭酸基(CO3)、炭酸水素基(HCO3)、リン酸基、亜リン酸基、次亜リン酸基、各ハロゲン酸化合物酸基(AO4、AO3、AO2、AO:A=Cl、Br、I)、トリス(トリフルオロメチルスルホニル)炭素酸基、トリフルオロメチルスルホン酸基、ジシアンアミド基、酢酸基(CH3COO)、ハロゲン化酢酸基((CAnH3−n)COO、A=F、Cl、Br、I;n=1、2、3)、テトラフェニルホウ酸基(BPh4)及びその誘導体(B(Aryl)4:Aryl=置換フェニル基)からえらばれた少なくとも1種であることを特徴とする、請求項1に記載のイオン性有機化合物
- (A)下記一般式(II)で表される、両末端に(クロロメチル)ベンズアミド基を有する化合物と、(B)下記一般式(III)で表されるアミン類を4級化反応させることを特徴とする、請求項1に記載のイオン性有機化合物の製造方法。
- 4級化反応を、ジメチルホルムアミドもしくはアセトニトリル中で、50〜80℃で行うことを特徴とする、請求項3に記載のイオン性有機化合物の製造方法。
- さらに、得られたイオン性化合物のアニオンをアニオン交換反応により他のアニオンに置換することを特徴とする、請求項3又は4に記載のイオン性有機化合物の製造方法。
- 請求項1に記載のイオン性有機化合物からなるCNT分散剤。
- 請求項6に記載のCNT分散剤を含むCNT分散液。
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