JP6278507B2 - Polymer electrolyte for fuel cell, catalyst electrode for fuel cell and fuel cell using the same - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池用高分子電解質、これを用いた燃料電池用触媒電極および燃料電池に関する。   The present invention relates to a polymer electrolyte for a fuel cell, a catalyst electrode for a fuel cell using the polymer electrolyte, and a fuel cell.

固体高分子形燃料電池(polymer electrolyte fuel cell:PEFC)に用いられる高分子電解質として、フッ素系アイオノマー材料が利用されている。しかし、フッ素系アイオノマー材料を用いた燃料電池においては、高温低加湿下における出力低下、価格、または、環境負荷の点で改善の余地があった。   Fluorine ionomer materials are used as polymer electrolytes used in polymer electrolyte fuel cells (PEFC). However, fuel cells using fluorine ionomer materials have room for improvement in terms of reduced output, high price, and environmental load under high temperature and low humidity.

また、炭化水素系の高分子電解質(炭化水素系アイオノマー)に関する技術として、特許文献1および2に記載のものがある。
このうち、特許文献1(特開2006−312742号公報)には、固体ポリマー電解質として、主鎖中に芳香環を含むトリブロックコポリマーを用いることが記載されている。
また、特許文献2(特表2009−525360号公報)には、ホスホン酸基を含有するポリマーのブレンド膜を直接メタノール型燃料電池に用いることが記載されている。
Patent Documents 1 and 2 disclose techniques relating to hydrocarbon polymer electrolytes (hydrocarbon ionomers).
Among these, Patent Document 1 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-312742) describes using a triblock copolymer containing an aromatic ring in the main chain as a solid polymer electrolyte.
Patent Document 2 (Japanese Patent Publication No. 2009-525360) describes that a polymer blend film containing a phosphonic acid group is directly used for a methanol fuel cell.

特開2006−312742号公報JP 2006-31742 A 特表2009−525360号公報Special table 2009-525360

しかし、炭化水素系アイオノマーを用いようとした際には、燃料極における燃料ガス透過性が低い場合があった。また、炭化水素系アイオノマーが触媒金属に吸着する性質を有するために所望の特性が得られない場合があった。こうしたことから、炭化水素系アイオノマーを実用化するためにはなお改善の余地があった。   However, when using a hydrocarbon ionomer, the fuel gas permeability in the fuel electrode may be low. Moreover, since the hydrocarbon ionomer has the property of adsorbing to the catalyst metal, the desired characteristics may not be obtained. For these reasons, there is still room for improvement in order to put the hydrocarbon ionomer into practical use.

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、燃料電池の高分子電解質として好適な材料を提供する。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a material suitable as a polymer electrolyte for a fuel cell.

本発明によれば、下記一般式(2)または(3)に示す構造を有する、燃料電池用高分子電解質が提供される。

Figure 0006278507
Figure 0006278507
(上記一般式(3)中、R32は、炭素数2以上6以下のアルキル基であり、mは、前記一般式(2)におけるmに同じである。)
また、本発明によれば、下記一般式(4)に示す構造を有する、燃料電池用高分子電解質が提供される。
Figure 0006278507
(上記一般式(4)中、R2は、独立して、炭素数2以上6以下のアルキル基またはアルコキシ基であり、R5は、−R51−C64−基または炭素数2以上6以下のアルキレン基であり、R51は、炭素数2以上6以下のアルキレン基であり、mは、10以上の正の数であり、nは、正の数であり、m個のユニット(A)およびn個のユニット(B)が共重合している。ただし、上記一般式(4)において、R5が炭素数4のアルキレン基であり、かつ、R2が炭素数4のアルコキシ基であるものを除く。))
According to the present invention, there is provided a polymer electrolyte for a fuel cell having a structure represented by the following general formula (2) or (3).
Figure 0006278507
Figure 0006278507
(In the general formula (3), R 32 is an alkyl group having 2 to 6 carbon atoms, and m is the same as m in the general formula (2).)
Moreover, according to this invention, the polymer electrolyte for fuel cells which has a structure shown to following General formula (4) is provided.
Figure 0006278507
(In the above general formula (4), R 2 is independently an alkyl group or alkoxy group having 2 to 6 carbon atoms, and R 5 is an —R 51 —C 6 H 4 — group or 2 carbon atoms. An alkylene group having 6 or less and R 51 is an alkylene group having 2 to 6 carbon atoms, m is a positive number of 10 or more, n is a positive number, and m units (A) and n units (B) are copolymerized, provided that, in the above general formula (4), R 5 is an alkylene group having 4 carbon atoms, and R 2 is an alkoxy having 4 carbon atoms. Excluding what is the base.))

また、本発明によれば、前記本発明における燃料電池用高分子電解質を含む、燃料電池用触媒電極が提供される。
また、本発明によれば、前記本発明における燃料電池用触媒電極を含む、燃料電池が提供される。
Moreover, according to this invention, the catalyst electrode for fuel cells containing the polymer electrolyte for fuel cells in the said this invention is provided.
Moreover, according to this invention, the fuel cell containing the catalyst electrode for fuel cells in the said this invention is provided.

なお、これらの各構成の任意の組み合わせや、本発明の表現を方法、装置などの間で変換したものもまた本発明の態様として有効である。   It should be noted that any combination of these components, or a conversion of the expression of the present invention between a method, an apparatus, and the like is also effective as an aspect of the present invention.

たとえば、本発明によれば、前記本発明における燃料電池用高分子電解質の燃料電池への使用が提供される。
また、本発明によれば、前記本発明における燃料電池用高分子電解質を用いて燃料電池用触媒電極を形成する工程を含む燃料電池用触媒電極の製造方法、ならびに、前記燃料電池用触媒電極を用いて燃料電池を形成する工程を含む燃料電池の製造方法が提供される。
For example, according to the present invention, use of the polymer electrolyte for a fuel cell according to the present invention for a fuel cell is provided.
According to the present invention, there is also provided a method for producing a fuel cell catalyst electrode comprising a step of forming a fuel cell catalyst electrode using the fuel cell polymer electrolyte according to the present invention, and the fuel cell catalyst electrode. A method of manufacturing a fuel cell is provided that includes using to form a fuel cell.

本発明によれば、燃料電池の高分子電解質として好適な材料を提供することができる。   According to the present invention, a material suitable as a polymer electrolyte for a fuel cell can be provided.

実施形態における燃料電池の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the fuel cell in embodiment. 実施例における化合物の質量分析(Mass Spectrometry:MS)による測定結果を示す図である。It is a figure which shows the measurement result by mass spectrometry (Mass Spectrometry: MS) of the compound in an Example. 実施例における化合物のMS測定結果を示す図である。It is a figure which shows the MS measurement result of the compound in an Example. 実施例における化合物のMS測定結果を示す図である。It is a figure which shows the MS measurement result of the compound in an Example. 実施例における化合物のMS測定結果を示す図である。It is a figure which shows the MS measurement result of the compound in an Example. 実施例における化合物のMS測定結果を示す図である。It is a figure which shows the MS measurement result of the compound in an Example. 実施例における化合物のMS測定結果を示す図である。It is a figure which shows the MS measurement result of the compound in an Example. 実施例における化合物のMS測定結果を示す図である。It is a figure which shows the MS measurement result of the compound in an Example. 実施例における化合物のMS測定結果を示す図である。It is a figure which shows the MS measurement result of the compound in an Example. 実施例における高分子電解質の評価結果を示す図である。It is a figure which shows the evaluation result of the polymer electrolyte in an Example. 実施例における高分子電解質の評価結果を示す図である。It is a figure which shows the evaluation result of the polymer electrolyte in an Example. 実施例におけるMEAの評価結果を示す図である。It is a figure which shows the evaluation result of MEA in an Example. 実施例におけるMEAの評価結果を示す図である。It is a figure which shows the evaluation result of MEA in an Example. 実施例におけるMEAの評価結果を示す図である。It is a figure which shows the evaluation result of MEA in an Example. 実施例におけるMEAの評価結果を示す図である。It is a figure which shows the evaluation result of MEA in an Example. 実施例におけるMEAの評価結果を示す図である。It is a figure which shows the evaluation result of MEA in an Example.

以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には共通の符号を付し、適宜説明を省略する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In all the drawings, similar constituent elements are denoted by common reference numerals, and description thereof is omitted as appropriate.

本実施形態における燃料電池用高分子電解質は、主鎖が芳香族炭化水素骨格を有するポリフェニレン系高分子であり、さらに具体的には、固体高分子電解質である。本実施形態における燃料電池用高分子電解質は、下記一般式(1)に示す構造を有する。   The polymer electrolyte for fuel cells in the present embodiment is a polyphenylene polymer having a main chain having an aromatic hydrocarbon skeleton, and more specifically a solid polymer electrolyte. The polymer electrolyte for fuel cells in the present embodiment has a structure represented by the following general formula (1).

Figure 0006278507
Figure 0006278507

(上記一般式(1)中、ユニット(A)において、R1は、独立して、水素原子、−C=OC6334基または−OR5SO3H基であり、mは10以上の正の数である。ただし、2つのR1がいずれも水素原子になることはない。ユニット(B)において、R2は、炭素数2以上6以下のアルキル基またはアルコキシ基であり、nは0または正の数である。
1が−C=OC6334基であるとき、R3は、−R31−SO3H基または−R32基である。R31は炭素数2以上6以下のアルキレン基であり、R32は、炭素数2以上6以下のアルキル基である。R4は、水素原子または−SO3H基である。ただし、R4が水素原子であるとき、R3は、−R31−SO3H基である。
1が−OR5SO3H基であるとき、R5は、−R51−C64−基または炭素数2以上6以下のアルキレン基であり、R51は、炭素数2以上6以下のアルキレン基であり、nは0でなく、m個のユニット(A)およびn個のユニット(B)がランダム共重合している。)
(In the general formula (1), in the unit (A), R 1 is independently a hydrogen atom, —C═OC 6 H 3 R 3 R 4 group or —OR 5 SO 3 H group, m is a positive number of 10 or higher. However, the two R 1 is not a hydrogen atom either. in unit (B), R 2 is an alkyl group or an alkoxy group having 2 to 6 carbon atoms And n is 0 or a positive number.
When R 1 is a —C═OC 6 H 3 R 3 R 4 group, R 3 is a —R 31 —SO 3 H group or a —R 32 group. R 31 is an alkylene group having 2 to 6 carbon atoms, and R 32 is an alkyl group having 2 to 6 carbon atoms. R 4 is a hydrogen atom or a —SO 3 H group. However, when R 4 is a hydrogen atom, R 3 is a —R 31 —SO 3 H group.
When R 1 is an —OR 5 SO 3 H group, R 5 is an —R 51 —C 6 H 4 — group or an alkylene group having 2 to 6 carbon atoms, and R 51 is 2 to 6 carbon atoms. The following alkylene groups, n is not 0, and m units (A) and n units (B) are randomly copolymerized. )

上記一般式(1)に示した固体高分子電解質は、主鎖に芳香族炭化水素骨格を有するとともに、側鎖に極性基および疎水基を有する。
上記一般式(1)におけるユニット(A)は、側鎖に極性基を含むユニットである。極性基は、具体的には−SO3H基である。
また、上記一般式(1)において、疎水基は、特定のアルキル基、アルキレン基またはアルコキシ基を含む。疎水基は、たとえばユニット(A)中の極性基が含まれる側鎖において極性基の近傍に設けられる。また、疎水基がユニット(B)に設けられていてもよい。
The solid polymer electrolyte represented by the general formula (1) has an aromatic hydrocarbon skeleton in the main chain and a polar group and a hydrophobic group in the side chain.
The unit (A) in the general formula (1) is a unit containing a polar group in the side chain. The polar group is specifically a —SO 3 H group.
In the general formula (1), the hydrophobic group includes a specific alkyl group, alkylene group or alkoxy group. The hydrophobic group is provided in the vicinity of the polar group in the side chain containing the polar group in the unit (A), for example. Moreover, the hydrophobic group may be provided in the unit (B).

ユニット(A)において、R1は、独立して、水素原子、−C=OC6334基または−OR5SO3H基である。mは10以上の正の数である。2つのR1のうち少なくとも1つは水素原子ではない。
1つ以上のR1が−C=OC6334基であるとき、R3は、−R31−SO3H基または−R32基である。また、このとき、もう1つのR1は、たとえば水素原子である。
31は、ガス透過性の向上または水溶性の抑制の観点から、炭素数2以上、好ましくは3以上のアルキレン基である。また、高分子電解質の電導性の低下を抑制する観点から、R31は、炭素数6以下、好ましくは4以下のアルキレン基である。アルキレン基は、直鎖状等の鎖状および環状のいずれであってもよく、また、分岐鎖を有していてもよい。
32は、ガス透過性の向上または水溶性の抑制の観点から、炭素数2以上、好ましくは3以上のアルキル基である。また、高分子電解質の電導性の低下を抑制する観点から、R32は、炭素数6以下のアルキル基である。アルキル基は、直鎖状等の鎖状および環状のいずれであってもよく、また、分岐鎖を有していてもよい。
4は、水素原子または−SO3H基である。ただし、R4が水素原子であるとき、R3は、−R31−SO3H基である。
また、R4が−SO3H基であるとき、水溶性の抑制の観点から、R3が−R32基であることが好ましい。
In the unit (A), R 1 is independently a hydrogen atom, —C═OC 6 H 3 R 3 R 4 group or —OR 5 SO 3 H group. m is a positive number of 10 or more. At least one of the two R 1 is not a hydrogen atom.
When one or more R 1 is a —C═OC 6 H 3 R 3 R 4 group, R 3 is a —R 31 —SO 3 H group or a —R 32 group. At this time, another R 1 is, for example, a hydrogen atom.
R 31 is an alkylene group having 2 or more carbon atoms, preferably 3 or more carbon atoms from the viewpoint of improving gas permeability or suppressing water solubility. From the viewpoint of suppressing the decrease in the conductivity of the polymer electrolyte, R 31 is an alkylene group having 6 or less carbon atoms, preferably 4 or less. The alkylene group may be either linear or cyclic, such as a straight chain, or may have a branched chain.
R 32 is an alkyl group having 2 or more carbon atoms, preferably 3 or more carbon atoms from the viewpoint of improving gas permeability or suppressing water solubility. From the viewpoint of suppressing the decrease in the conductivity of the polymer electrolyte, R 32 is an alkyl group having 6 or less carbon atoms. The alkyl group may be either linear or cyclic, such as a straight chain, or may have a branched chain.
R 4 is a hydrogen atom or a —SO 3 H group. However, when R 4 is a hydrogen atom, R 3 is a —R 31 —SO 3 H group.
In addition, when R 4 is a —SO 3 H group, R 3 is preferably a —R 32 group from the viewpoint of suppressing water solubility.

1が−C=OC6334基であるとき、高分子電解質がユニット(A)により構成されることが好ましい。つまり、ユニット(B)におけるnが0であってもよい。 When R 1 is a —C═OC 6 H 3 R 3 R 4 group, the polymer electrolyte is preferably composed of the unit (A). That is, n in the unit (B) may be 0.

また、水溶性抑制、ガス透過性および電導性のバランスの観点から、本実施形態における高分子電解質は、極性基である−SO3H基に隣接して、または、−SO3H基が結合する炭素原子に隣接する炭素原子に特定のアルキル鎖が設けられていてもよい。たとえば、2つのR1のうち1つが水素原子であり、もう1つが−C=OC6334基であってもよく、さらに具体的には、上記一般式(2)または(3)に示す構造を有していてもよい。 In addition, from the viewpoint of water solubility suppression, gas permeability, and electrical conductivity, the polymer electrolyte in this embodiment is adjacent to the polar group —SO 3 H group or bonded to the —SO 3 H group. A specific alkyl chain may be provided on a carbon atom adjacent to the carbon atom to be formed. For example, one of two R 1 may be a hydrogen atom, and the other may be a —C═OC 6 H 3 R 3 R 4 group. More specifically, the above general formula (2) or ( You may have the structure shown to 3).

Figure 0006278507
Figure 0006278507

(上記一般式(2)中、R31およびmは、それぞれ、前記一般式(1)におけるR31およびmに同じである。) (In the general formula (2), R 31 and m are the same as R 31 and m in the general formula (1), respectively.)

Figure 0006278507
Figure 0006278507

(上記一般式(3)中、R32およびmは、それぞれ、前記一般式(1)におけるR32およびmに同じである。) (In the general formula (3), R 32 and m are the same as R 32 and m in the general formula (1), respectively.)

また、以上においては、R1が−C=OC6334基であり、高分子電解質がユニット(A)により構成される例を挙げたが、ユニット(B)における(B)が0でない、つまり、高分子電解質がユニット(A)および(B)の共重合体であってもよい。このとき、ユニット(A)および(B)の重合の形態に制限はなく、ランダム共重合体、ブロック共重合体のいずれの態様とすることもできる。 Further, in the above, R 1 is -C = OC 6 H 3 R 3 R 4 group, although the polymer electrolyte is an example constituted by a unit (A), in the unit (B) (B) Is not 0, that is, the polymer electrolyte may be a copolymer of the units (A) and (B). At this time, there is no restriction | limiting in the form of superposition | polymerization of unit (A) and (B), It can be set as any aspect of a random copolymer and a block copolymer.

ユニット(B)において、R2は、炭素数2以上6以下のアルキル基またはアルコキシ基である。アルキル基またはアルコキシ基は、直鎖状等の鎖状および環状のいずれであってもよく、また、分岐鎖を有していてもよい。 In the unit (B), R 2 is an alkyl group or alkoxy group having 2 to 6 carbon atoms. The alkyl group or alkoxy group may be linear or other chain and cyclic, and may have a branched chain.

次に、ユニット(A)中、R1が−OR5SO3H基である例を説明する。たとえば、2つのR1がいずれも−OR5SO3H基であるとき、上記一般式(1)は、以下の構造となる。 Next, an example in which R 1 in the unit (A) is a —OR 5 SO 3 H group will be described. For example, when both R 1 are —OR 5 SO 3 H groups, the general formula (1) has the following structure.

Figure 0006278507
Figure 0006278507

(上記一般式(4)中、R2、R5、mおよびnは、それぞれ、前記一般式(1)におけるR2、R5、mおよびnに同じである。) (In the general formula (4), R 2 , R 5 , m and n are the same as R 2 , R 5 , m and n in the general formula (1), respectively.)

上記一般式(4)は、疎水基が極性基を含むユニットに加えて、極性基を含むユニットとは別のユニットにも設けられた構造の例である。
5は、−R51−C64−基または炭素数2以上6以下のアルキレン基である。アルキレン基は、直鎖状等の鎖状および環状のいずれであってもよく、また、分岐鎖を有していてもよい。
5が−R51−C64−基であるとき、R51は、炭素数2以上のアルキレン基であり、ガス透過性の向上の観点から、炭素数2以上、好ましくは3以上のアルキレン基である。また、高分子電解質の電導性の低下を抑制する観点から、R51は、炭素数6以下、好ましくは4以下のアルキレン基である。アルキレン基は、直鎖状等の鎖状および環状のいずれであってもよく、また、分岐鎖を有していてもよい。
一般式(4)中、nは0でなく、m個のユニット(A)およびn個のユニット(B)がランダム共重合している。
また、mとnのユニット比は、高分子電解質のイオン交換容量(ion exchange capacity:IEC)に応じて決めることができ、たとえばIECが0.8meq g-1以上3.3meq g-1以下となるようなユニット比とすることができる。
The general formula (4) is an example of a structure in which the hydrophobic group is provided in a unit other than the unit containing the polar group in addition to the unit containing the polar group.
R 5 is a —R 51 —C 6 H 4 — group or an alkylene group having 2 to 6 carbon atoms. The alkylene group may be either linear or cyclic, such as a straight chain, or may have a branched chain.
When R 5 is a —R 51 —C 6 H 4 — group, R 51 is an alkylene group having 2 or more carbon atoms, and from the viewpoint of improving gas permeability, it has 2 or more carbon atoms, preferably 3 or more carbon atoms. An alkylene group; From the viewpoint of suppressing the decrease in the conductivity of the polymer electrolyte, R 51 is an alkylene group having 6 or less carbon atoms, preferably 4 or less. The alkylene group may be either linear or cyclic, such as a straight chain, or may have a branched chain.
In the general formula (4), n is not 0, and m units (A) and n units (B) are randomly copolymerized.
Also, the unit ratio of m and n is an ion exchange capacity of the polymer electrolyte: it can be determined in accordance with (ion exchange capacity IEC), for example IEC is 0.8 meq g -1 or more 3.3 meq g -1 or less and The unit ratio can be as follows.

次に、本実施形態における高分子電解質の製造方法を説明する。
本実施形態における高分子電解質は、たとえば、
ユニット(A)またはユニット(B)に対応するジハロゲノフェニルベンゼン系のモノマーを所定の方法で準備する工程(工程1)と、
工程1で準備したモノマーまたはその変換体に触媒を作用させて重合することにより、重合体を得る工程(工程2)と、
工程2の後、重合体中のスルホン基を脱保護して上記一般式(1)に示した高分子電解質を得る工程(工程3)と、を含む。
以下、各工程を説明する。
Next, the manufacturing method of the polymer electrolyte in this embodiment is demonstrated.
The polymer electrolyte in this embodiment is, for example,
A step of preparing a dihalogenophenylbenzene monomer corresponding to the unit (A) or the unit (B) by a predetermined method (step 1);
A step of obtaining a polymer by polymerizing the monomer prepared in step 1 or its converter by acting a catalyst (step 2);
After the step 2, there is a step (step 3) of deprotecting the sulfone group in the polymer to obtain the polymer electrolyte represented by the general formula (1).
Hereinafter, each process will be described.

工程1においては、製造する高分子電解質の構造に応じてジハロゲノフェニルベンゼン系のモノマーを準備する。ユニット(A)および(B)に対応するモノマーの例をそれぞれ下記一般式(11)および(12)に示す。   In step 1, a dihalogenophenylbenzene monomer is prepared according to the structure of the polymer electrolyte to be produced. Examples of monomers corresponding to the units (A) and (B) are shown in the following general formulas (11) and (12), respectively.

Figure 0006278507
Figure 0006278507

(上記一般式(11)中、R1'は、一般式(1)におけるR1において、スルホン酸基が保護されている基であり、X1はハロゲンである。) (In the general formula (11), R 1 ′ is a group in which the sulfonic acid group is protected in R 1 in the general formula (1), and X 1 is halogen.)

Figure 0006278507
Figure 0006278507

(上記一般式(12)中、R2は、一般式(1)におけるR2であり、X2はハロゲンである。) (In the general formula (12), R 2 is R 2 in the general formula (1), X 2 is halogen.)

上記一般式(11)において、スルホン酸基の保護基としては、たとえば、炭素数2以上10以下の炭化水素基等が挙げられる。炭化水素基は、脂肪族炭化水素基および芳香族炭化水素基のいずれでもよく、脂肪族炭化水素基として、直鎖状または分岐鎖を有する鎖状アルキル基、環状アルキル基が挙げられる。
スルホン酸基の保護基として、さらに具体的には、n−ブチル基、イソブチル基、t−ブチル基等のブチル基;n−ペンチル基、イソペンチル基、ネオペンチル基等のペンチル基、シクロペンチル基、n−ヘキシル基等のヘキシル基;シクロヘキシル基、ジメチルフェニル基等が挙げられる。
In the general formula (11), examples of the protective group for the sulfonic acid group include a hydrocarbon group having 2 to 10 carbon atoms. The hydrocarbon group may be either an aliphatic hydrocarbon group or an aromatic hydrocarbon group, and examples of the aliphatic hydrocarbon group include a linear or branched chain alkyl group and a cyclic alkyl group.
More specifically, as a protecting group for a sulfonic acid group, a butyl group such as an n-butyl group, an isobutyl group or a t-butyl group; a pentyl group such as an n-pentyl group, an isopentyl group or a neopentyl group, a cyclopentyl group, n -A hexyl group such as a hexyl group; a cyclohexyl group, a dimethylphenyl group, and the like.

また、上記一般式(11)および(12)において、ハロゲンとしては、フッ素、塩素、臭素、ヨウ素等が挙げられる。   In the general formulas (11) and (12), examples of the halogen include fluorine, chlorine, bromine, and iodine.

工程2では、モノマーまたはその変換体に触媒を作用させて重合することにより、重合体を得る。重合方法としては、触媒移動型縮合重合法、および、Ni(0)(ゼロ価ニッケル)カップリング重合法などが挙げられる。   In step 2, a polymer is obtained by polymerizing the monomer or its converted product by acting a catalyst. Examples of the polymerization method include a catalyst transfer type condensation polymerization method and a Ni (0) (zero-valent nickel) coupling polymerization method.

以下、触媒移動型縮合重合法を例に説明する。重合条件は、モノマー、触媒、グリニャール試薬の種類等に応じて決めることができ、具体的な条件については、実施例の項で後述する。   Hereinafter, the catalyst transfer type condensation polymerization method will be described as an example. The polymerization conditions can be determined according to the type of monomer, catalyst, Grignard reagent, etc. Specific conditions will be described later in the Examples section.

触媒として、たとえばニッケル、パラジウム、コバルト等の遷移金属のハロゲン錯体が用いられる。具体的には、[1,2-ビス(ジフェニルホスフィノ)エタン]ジクロロニッケル(II)、[1,3-ビス(ジフェニルホスフィノ)プロパン]ニッケル(II)ジクロリド、ビス(トリフェニルホスフィン)ニッケル(II)ジクロリド等のニッケル触媒が挙げられる。   As the catalyst, for example, a halogen complex of a transition metal such as nickel, palladium or cobalt is used. Specifically, [1,2-bis (diphenylphosphino) ethane] dichloronickel (II), [1,3-bis (diphenylphosphino) propane] nickel (II) dichloride, bis (triphenylphosphine) nickel (II) Nickel catalysts such as dichloride are listed.

また、触媒とともにイソプロピルマグネシウムクロリド等のグリニャール試薬等を用いることもできる。   In addition, a Grignard reagent such as isopropyl magnesium chloride can be used together with the catalyst.

また、重合溶媒の具体例としては、モノマーの溶解性の観点から、たとえば、N−メチルピロリドン(NMP)、テトラヒドロフラン(THF)、ジメチルホルムアミド(DMF)、ジメチルスルホキシド(DMSO)等の非プロトン性極性溶媒が挙げられる。   Specific examples of the polymerization solvent include aprotic polarities such as N-methylpyrrolidone (NMP), tetrahydrofuran (THF), dimethylformamide (DMF), dimethyl sulfoxide (DMSO) and the like from the viewpoint of monomer solubility. A solvent is mentioned.

工程3では、得られたポリマーにおけるスルホン酸の保護基を、保護基の種類に応じて所定の方法で脱保護する。
以上の手順により、本実施形態における高分子電解質が得られる。
In Step 3, the protecting group of sulfonic acid in the obtained polymer is deprotected by a predetermined method depending on the kind of the protecting group.
The polymer electrolyte in this embodiment is obtained by the above procedure.

本実施形態において、高分子電解質の分子量に制限はないが、重量平均分子量Mwをたとえば5×103以上、好ましくは、3×104以上とする。分子量の測定方法については、実施例の項で後述する。
また、高分子電解質のIECは、たとえば0.5meq g-1以上4meq g-1以下、好ましくは0.8meq g-1以上3.3meq g-1以下とする。
In the present embodiment, the molecular weight of the polymer electrolyte is not limited, but the weight average molecular weight Mw is, for example, 5 × 10 3 or more, preferably 3 × 10 4 or more. The method for measuring the molecular weight will be described later in the Examples section.
Further, IEC of the polymer electrolyte, for example 0.5 meq g -1 or more 4 meq g -1 or less, preferably 0.8 meq g -1 or more 3.3 meq g -1 or less.

得られた高分子電解質は、たとえばフッ素系アイオノマーの代替となる安価で低環境負荷な炭化水素系アイオノマーとしてなど、燃料電池用の高分子電解質として好適に用いられる。
また、本実施形態における燃料電池は、本実施形態における高分子電解質を含む。
The obtained polymer electrolyte is suitably used as a polymer electrolyte for a fuel cell, for example, as an inexpensive and low environmental impact hydrocarbon ionomer that replaces a fluorine ionomer.
The fuel cell in the present embodiment includes the polymer electrolyte in the present embodiment.

図1は、本実施形態における燃料電池の構成を模式的に示す断面図である。
図1に示した燃料電池100は、燃料極(アノード)105、固体電解質膜107および酸化剤極(空気極、カソード)113から構成される膜−電解質接合体(Membrane Electrode Assembly:MEA)115を有する。
燃料極105は、拡散層101および触媒層103から構成される。また、酸化剤極113は、拡散層111および触媒層109から構成される。燃料極105の拡散層101、および、酸化剤極113の拡散層111の外側には、それぞれ、セパレータ117およびセパレータ119が配設され、これらのセパレータが膜−電解質接合体115を挟持する。
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the fuel cell in the present embodiment.
A fuel cell 100 shown in FIG. 1 includes a membrane-electrode assembly (MEA) 115 including a fuel electrode (anode) 105, a solid electrolyte membrane 107, and an oxidant electrode (air electrode, cathode) 113. Have.
The fuel electrode 105 includes a diffusion layer 101 and a catalyst layer 103. The oxidant electrode 113 includes a diffusion layer 111 and a catalyst layer 109. A separator 117 and a separator 119 are disposed outside the diffusion layer 101 of the fuel electrode 105 and the diffusion layer 111 of the oxidant electrode 113, respectively, and these separators sandwich the membrane-electrolyte assembly 115.

本実施形態における高分子電解質は、たとえば触媒電極のアイオノマーとして好適に用いられる。また、本実施形態における燃料電池用触媒電極は、本実施形態における高分子電解質を含む。
本実施形態における高分子電解質は、さらに具体的には、燃料極105の触媒層103または酸化剤極113の触媒層109のアイオノマーに好適に用いられる。中でも、酸化剤極113の触媒層109に本実施形態における高分子電解質を用いることにより、酸化剤極113におけるガス(たとえば酸素、水素)拡散性を向上させることができるため、好ましい。
The polymer electrolyte in the present embodiment is suitably used as an ionomer for a catalyst electrode, for example. Moreover, the catalyst electrode for fuel cells in this embodiment contains the polymer electrolyte in this embodiment.
More specifically, the polymer electrolyte in the present embodiment is suitably used for an ionomer of the catalyst layer 103 of the fuel electrode 105 or the catalyst layer 109 of the oxidant electrode 113. Among these, it is preferable to use the polymer electrolyte in the present embodiment for the catalyst layer 109 of the oxidant electrode 113 because gas (for example, oxygen, hydrogen) diffusibility in the oxidant electrode 113 can be improved.

燃料電池100において、各極の拡散層、触媒および固体電解質膜107としては、たとえば以下の材料が用いられる。
拡散層101および拡散層111としては、多孔質材料等が用いられ、カーボンペーパー、カーボン不織布等の炭素材料が挙げられる。
燃料極105の触媒層103および酸化剤極113の触媒層109には、たとえば触媒金属を担持した炭素粒子が用いられる。
各極の触媒の種類は同じであってもよいし異なっていてもよい。触媒金属の種類として、白金、金、銀、パラジウム、ロジウム、イリジウム、ルテニウムといった貴金属等が挙げられる。
また、固体電解質膜107の材料としては、たとえば、ナフィオン(登録商標、以下同じ。)、フレミオン(登録商標)、アシプレックス(登録商標)、Dow Membrane等のパーフルオロスルホン酸ポリマーが挙げられる。また、本実施形態における高分子電解質により固体電解質膜107を構成することもできる。
In the fuel cell 100, for example, the following materials are used as the diffusion layer of each electrode, the catalyst, and the solid electrolyte membrane 107.
As the diffusion layer 101 and the diffusion layer 111, a porous material or the like is used, and examples thereof include carbon materials such as carbon paper and carbon nonwoven fabric.
For the catalyst layer 103 of the fuel electrode 105 and the catalyst layer 109 of the oxidant electrode 113, for example, carbon particles supporting a catalyst metal are used.
The type of catalyst at each electrode may be the same or different. Examples of the catalyst metal include noble metals such as platinum, gold, silver, palladium, rhodium, iridium, and ruthenium.
Examples of the material of the solid electrolyte membrane 107 include perfluorosulfonic acid polymers such as Nafion (registered trademark), Flemion (registered trademark), Aciplex (registered trademark), and Dow Membrane. Moreover, the solid electrolyte membrane 107 can also be comprised with the polymer electrolyte in this embodiment.

また、燃料電池100は、たとえば以下の方法で製造される。
含浸法等の所定の方法により炭素粒子に触媒を担持させて各極の触媒(触媒担持体)を得る。得られた触媒と高分子電解質とを溶媒に分散させて、各極の拡散層に塗布し、燃料極105および酸化剤極113を得る。このとき、高分子電解質に本実施形態における高分子電解質を用いることができる。
そして、燃料極105、固体電解質膜107および酸化剤極113をこの順に配置して熱圧着等により接合し、膜−電解質接合体115を得る。
その後、膜−電解質接合体115の両側に各極のセパレータが配置され、図1に示した燃料電池100が得られる。
The fuel cell 100 is manufactured, for example, by the following method.
A catalyst is supported on carbon particles by a predetermined method such as an impregnation method to obtain a catalyst for each electrode (catalyst support). The obtained catalyst and polymer electrolyte are dispersed in a solvent and applied to the diffusion layer of each electrode to obtain the fuel electrode 105 and the oxidant electrode 113. At this time, the polymer electrolyte in the present embodiment can be used as the polymer electrolyte.
Then, the fuel electrode 105, the solid electrolyte membrane 107, and the oxidant electrode 113 are arranged in this order and joined together by thermocompression bonding or the like to obtain a membrane-electrolyte assembly 115.
Thereafter, separators for each electrode are disposed on both sides of the membrane-electrolyte assembly 115, and the fuel cell 100 shown in FIG. 1 is obtained.

燃料電池100の用途に制限はなく、たとえば車載用、家庭(コージェネレーション等)用が挙げられる。
また、燃料電池100に供給される燃料および酸化剤の種類に制限はなく、燃料としてたとえば水素等の気体燃料;メタノール等の液体燃料を用いることができる。また、酸化剤は、たとえば空気(酸素)とすることができる。
There is no restriction | limiting in the use of the fuel cell 100, for example, vehicle-mounted use and household (cogeneration etc.) use are mentioned.
Moreover, there is no restriction | limiting in the kind of fuel and oxidant supplied to the fuel cell 100, For example, gaseous fuels, such as hydrogen; Liquid fuels, such as methanol, can be used as a fuel. The oxidizing agent can be air (oxygen), for example.

次に、本実施形態の作用効果を説明する。
本実施形態における高分子電解質は、柔軟なアルキル鎖が側鎖構造の特定の位置に導入されているため、燃料電池に用いたときの電池特性に優れており、燃料電池用の固体電解質として好適に用いられる。また、本実施形態により、たとえばガス透過性に優れる高分子電解質が得られるため、燃料電池の触媒電極、さらに具体的には酸化剤極のアイオノマーとして用いることもできる。
また、本実施形態によれば、たとえば、とくに低加湿条件下における出力特性を向上させることもできるため、フッ素系アイオノマーにかわる優れた材料として用いることもできる。PEFCの低加湿運転が可能になれば、高出力、低コスト化につながるため、次世代型燃料電池の開発の加速につながる材料として期待される。
Next, the effect of this embodiment is demonstrated.
The polymer electrolyte in this embodiment is excellent in battery characteristics when used in a fuel cell because a flexible alkyl chain is introduced at a specific position of the side chain structure, and is suitable as a solid electrolyte for a fuel cell. Used for. Further, according to the present embodiment, for example, a polymer electrolyte having excellent gas permeability can be obtained, so that it can be used as a catalyst electrode of a fuel cell, more specifically as an ionomer of an oxidizer electrode.
Further, according to the present embodiment, for example, the output characteristics can be improved particularly under low humidification conditions, and therefore, it can be used as an excellent material in place of the fluorine-based ionomer. If PEFC can be operated with low humidification, it will lead to higher output and lower costs, and is expected to be a material that will accelerate the development of next-generation fuel cells.

以上、本発明の実施形態について述べたが、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良などは本発明に含まれるものである。
以下、参考形態の例を付記する。
1. 下記一般式(1)に示す構造を有する、燃料電池用高分子電解質。

Figure 0006278507
(上記一般式(1)中、ユニット(A)において、R 1 は、独立して、水素原子、−C=OC 6 3 3 4 基または−OR 5 SO 3 H基であり、mは10以上の正の数である。ただし、2つのR 1 のうち少なくとも1つは水素原子ではない。ユニット(B)において、R 2 は、独立して、炭素数2以上6以下のアルキル基またはアルコキシ基であり、nは0または正の数である。
1 が−C=OC 6 3 3 4 基であるとき、R 3 は、−R 31 −SO 3 H基または−R 32 基である。R 31 は炭素数2以上6以下のアルキレン基であり、R 32 は、炭素数2以上6以下のアルキル基である。R 4 は、水素原子または−SO 3 H基である。ただし、R 4 が水素原子であるとき、R 3 は、−R 31 −SO 3 H基である。
1 が−OR 5 SO 3 H基であるとき、R 5 は、−R 51 −C 6 4 −基または炭素数2以上6以下のアルキレン基であり、R 51 は、炭素数2以上6以下のアルキレン基であり、nは0でなく、m個のユニット(A)およびn個のユニット(B)がランダム共重合している。)
2. 1.に記載の燃料電池用高分子電解質において、下記一般式(2)または(3)に示す構造を有する、燃料電池用高分子電解質。
Figure 0006278507
(上記一般式(2)中、R 31 およびmは、それぞれ、前記一般式(1)におけるR 31 およびmに同じである。)
Figure 0006278507
(上記一般式(3)中、R 32 およびmは、それぞれ、前記一般式(1)におけるR 32 およびmに同じである。)
3. 1.に記載の燃料電池用高分子電解質において、下記一般式(4)に示す構造を有する、燃料電池用高分子電解質。
Figure 0006278507
(上記一般式(4)中、R 2 、R 5 、mおよびnは、それぞれ、前記一般式(1)におけるR 2 、R 5 、mおよびnに同じである。)
4. 1.乃至3.いずれか一つに記載の燃料電池用高分子電解質を含む、燃料電池用触媒電極。
5. 4.に記載の燃料電池用触媒電極を含む、燃料電池。
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and modifications, improvements, and the like within the scope that can achieve the object of the present invention are included in the present invention. .
Hereinafter, examples of the reference form will be added.
1. A polymer electrolyte for fuel cells having a structure represented by the following general formula (1).
Figure 0006278507
(In the general formula (1), in the unit (A), R 1 is independently a hydrogen atom, —C═OC 6 H 3 R 3 R 4 group or —OR 5 SO 3 H group, m Is a positive number of 10 or more, provided that at least one of the two R 1 is not a hydrogen atom, and in unit (B), R 2 is independently an alkyl group having 2 to 6 carbon atoms. Or it is an alkoxy group, n is 0 or a positive number.
When R 1 is a —C═OC 6 H 3 R 3 R 4 group, R 3 is a —R 31 —SO 3 H group or a —R 32 group. R 31 is an alkylene group having 2 to 6 carbon atoms , and R 32 is an alkyl group having 2 to 6 carbon atoms. R 4 is a hydrogen atom or a —SO 3 H group. However, when R 4 is a hydrogen atom, R 3 is a —R 31 —SO 3 H group.
When R 1 is an —OR 5 SO 3 H group, R 5 is an —R 51 —C 6 H 4 — group or an alkylene group having 2 to 6 carbon atoms , and R 51 is 2 to 6 carbon atoms. The following alkylene groups, n is not 0, and m units (A) and n units (B) are randomly copolymerized. )
2. 1. The polymer electrolyte for fuel cells according to 1), wherein the polymer electrolyte for fuel cells has a structure represented by the following general formula (2) or (3).
Figure 0006278507
(In the general formula (2), R 31 and m are the same as R 31 and m in the general formula (1), respectively .)
Figure 0006278507
(In the general formula (3), R 32 and m are the same as R 32 and m in the general formula (1), respectively .)
3. 1. The polymer electrolyte for fuel cells described in 1 above, having a structure represented by the following general formula (4).
Figure 0006278507
(In the general formula (4), R 2 , R 5 , m and n are the same as R 2 , R 5 , m and n in the general formula (1), respectively .)
4). 1. To 3. A catalyst electrode for a fuel cell comprising the polymer electrolyte for a fuel cell according to any one of the above.
5. 4). A fuel cell comprising the catalyst electrode for a fuel cell according to 1.

以下の例において、モノマー化合物またはその前駆体の同定は、核磁気共鳴(Nuclear Magnetic Resonance:NMR)法、質量分析(Mass Spectrometry:MS)、元素分析または赤外分光法(Infrared Spectroscopy:IR)によりおこなった。   In the following examples, the monomer compound or its precursor is identified by nuclear magnetic resonance (NMR) method, mass spectrometry (MS), elemental analysis, or infrared spectroscopy (IR). I did it.

また、以下の例において、ポリマーの分子量は、以下の装置および条件にておこなった。
装置:島津製作所社製Class-Vp system
カラム:Shodex KD-804、Shodex KD-805(以上、昭和電工社製)
溶媒:THF
標準:ポリスチレン標準物質
検出:屈折率計
In the following examples, the molecular weight of the polymer was measured using the following apparatus and conditions.
Equipment: Class-Vp system manufactured by Shimadzu Corporation
Column: Shodex KD-804, Shodex KD-805 (above, Showa Denko)
Solvent: THF
Standard: Polystyrene standard detection: Refractometer

(実施例1)
本実施例では、スキーム1および2の手順に従い、以下に示すポリマー:Poly(2-(4-ethyl-3-sulfobenzoyl)-1,4-phenylene)(S-PEtBP)を合成した。
Example 1
In this example, the following polymer: Poly (2- (4-ethyl-3-sulfobenzoyl) -1,4-phenylene) (S-PEtBP) was synthesized according to the procedures of Schemes 1 and 2.

Figure 0006278507
Figure 0006278507

(2,5-Dichlorophenyl)(4-ethyl-3-(neopentylsulfonyl)phenyl)methanone(NS-EtDBP)の合成
まず、スキーム1に従い、モノマーであるNS-EtDBPを合成した。
Synthesis of (2,5-Dichlorophenyl) (4-ethyl-3- (neopentylsulfonyl) phenyl) methanone (NS-EtDBP) First, according to Scheme 1, a monomer NS-EtDBP was synthesized.

Figure 0006278507
Figure 0006278507

ジクロロベンゼンクロライド(DCBC)の合成
500mlの三口丸底フラスコに、2,5-ジクロロ安息香酸(DCBA)50.4g(0.264mol)と1,2-ジクロロエタン200mlを入れ、ジムロート冷却管、窒素導入管、及び滴下漏斗を取り付けた。さらに冷却管にアルカリトラップと塩化カルシウム管を取り付けて、系内を窒素で置換した。溶液を攪拌しながら、オイルバス中で85℃に加熱した。フラスコ内の固体が完全に溶解した後、塩化チオニル29.0mlを滴下漏斗より徐々に滴下した。滴下終了後、2時間加熱還流を続けた。エバポレーターを用いて溶液中の1,2-ジクロロエタンを留去した。黄褐色の残渣を、減圧蒸留により精製し、淡黄色透明液体のDCBCを得た(14mmHg、110℃、収量47.7g、収率86%)。
Synthesis of dichlorobenzene chloride (DCBC)
A 500 ml three-necked round bottom flask was charged with 50.4 g (0.264 mol) of 2,5-dichlorobenzoic acid (DCBA) and 200 ml of 1,2-dichloroethane, and fitted with a Dimroth condenser, a nitrogen inlet tube, and a dropping funnel. Further, an alkali trap and a calcium chloride pipe were attached to the cooling pipe, and the inside of the system was replaced with nitrogen. The solution was heated to 85 ° C. in an oil bath with stirring. After the solid in the flask was completely dissolved, 29.0 ml of thionyl chloride was gradually dropped from the dropping funnel. After completion of the dropwise addition, heating under reflux was continued for 2 hours. 1,2-Dichloroethane in the solution was distilled off using an evaporator. The yellowish brown residue was purified by distillation under reduced pressure to obtain a pale yellow transparent liquid DCBC (14 mmHg, 110 ° C., yield 47.7 g, yield 86%).

(2,5-Dichlorophenyl)(4-ethylphenyl)methanone(EtDBP)の合成
表1に示す仕込み組成にて、以下の手順でEtDBPを合成した。
三口丸底フラスコに還流冷却管、塩化カルシウム管、窒素導入管、およびアルカリトラップを取り付け、DCBC、エチルベンゼンを入れた。窒素雰囲気下、塩化アルミニウムを数回に分けて加え、オイルバスで75℃に加熱し3時間攪拌した。得られた褐色の粘性液体を氷水に展開し、その後ジクロロメタン100mLを加え、室温でしばらく撹拌した。白濁した上層(水層)と黄色透明の下層(有機層)に分離し、残った水層を1,2-ジクロロメタンで抽出した。これを3回繰り返した後、先に回収した有機層と合わせた。得られた有機層を10質量%塩酸、炭酸水素ナトリウム水溶液および精製水の順で三回ずつ洗浄し、硫酸マグネシウム上で乾燥させた。ジクロロメタンをエパポレーターにより留去し、エチルベンゼンを真空エバポレーターにより留去し、黄色透明固体の粗生成物を得た。メタノールで二回再結晶を行った。その後、吸引ろ過(メンブランフィルター、親水、ポアサイズ1.0μm)により回収し、45℃で24時間減圧乾燥することにより、白色結晶を得た。生成物の収量および収率を表1にあわせて示した。また、生成物のMSによる同定結果を図2に示す。
Synthesis of (2,5-Dichlorophenyl) (4-ethylphenyl) methanone (EtDBP) EtDBP was synthesized by the following procedure using the charging composition shown in Table 1.
A three-necked round bottom flask was equipped with a reflux condenser, a calcium chloride tube, a nitrogen inlet tube, and an alkali trap, and DCBC and ethylbenzene were added. Under a nitrogen atmosphere, aluminum chloride was added in several portions, heated to 75 ° C. in an oil bath and stirred for 3 hours. The obtained brown viscous liquid was developed in ice water, and then 100 mL of dichloromethane was added and stirred at room temperature for a while. The mixture was separated into a white turbid upper layer (aqueous layer) and a yellow transparent lower layer (organic layer), and the remaining aqueous layer was extracted with 1,2-dichloromethane. This was repeated three times, and then combined with the organic layer collected earlier. The obtained organic layer was washed three times in order of 10% by mass hydrochloric acid, aqueous sodium hydrogen carbonate solution and purified water, and dried over magnesium sulfate. Dichloromethane was distilled off with an evaporator and ethylbenzene was distilled off with a vacuum evaporator to obtain a crude product as a yellow transparent solid. Recrystallization was performed twice with methanol. Thereafter, the crystals were collected by suction filtration (membrane filter, hydrophilic, pore size 1.0 μm) and dried under reduced pressure at 45 ° C. for 24 hours to obtain white crystals. The yield and yield of the product are shown in Table 1. Moreover, the identification result by MS of a product is shown in FIG.

Figure 0006278507
Figure 0006278507

5-(2,5-Dichlorobenzoyl)-2-ethylbenzene-1-sulfonyl chloride(SC-EtDBP)の合成
表2に示す仕込み組成にて、以下の手順でSC-EtDBPを合成した。
200ml三口フラスコに滴下漏斗、還流冷却管、窒素導入管、塩化カルシウム管、およびアルカリトラップを取り付け、EtDBPを入れた。そこに滴下漏斗からクロロスルホン酸を滴下し、窒素雰囲気下、オイルバス中で、80℃にて3時間攪拌した。
得られた赤褐色溶液を100mlの精製中に展開し、その後ジクロロメタン100mlを加え、室温でしばらく撹拌した。白濁した上層(水層)と肌色の下層(有機層)に分離し、残った水層を1,2-ジクロロメタンで抽出した。これら操作を3回繰り返した後、先に回収した有機層と合わせた。得られた有機層を5%水酸化ナトリウム水、精製水の順で洗浄した。エバポレーターによりジクロロメタンを留去し、40℃で24時間減圧乾燥することで、SC-EtDBPを得た。生成物の収量および収率を表2にあわせて示した。
Synthesis of 5- (2,5-Dichlorobenzoyl) -2-ethylbenzene-1-sulfonyl chloride (SC-EtDBP) SC-EtDBP was synthesized by the following procedure using the charging composition shown in Table 2.
A 200 ml three-necked flask was equipped with a dropping funnel, reflux condenser, nitrogen inlet tube, calcium chloride tube, and alkali trap, and EtDBP was placed. Chlorosulfonic acid was dropped from the dropping funnel, and the mixture was stirred at 80 ° C. for 3 hours in an oil bath under a nitrogen atmosphere.
The resulting reddish brown solution was developed during 100 ml purification, then 100 ml dichloromethane was added and stirred for a while at room temperature. The mixture was separated into a cloudy upper layer (aqueous layer) and a skin-colored lower layer (organic layer), and the remaining aqueous layer was extracted with 1,2-dichloromethane. These operations were repeated three times, and then combined with the previously recovered organic layer. The obtained organic layer was washed with 5% aqueous sodium hydroxide and purified water in this order. Dichloromethane was removed by an evaporator and dried under reduced pressure at 40 ° C. for 24 hours to obtain SC-EtDBP. The yield and yield of the product are shown in Table 2.

Figure 0006278507
Figure 0006278507

(2,5-Dichlorophenyl)(4-ethyl-3-(neopentylsulfonyl)phenyl)methanone(NS-EtDBP)の合成
200 ml三口フラスコに滴下漏斗、塩化カルシウム管、および窒素導入管を取り付け、クロロホルムに溶解させたSC-EtDBP(5.79g、15.3mmol)を入れた。窒素雰囲気下で、この溶液にピリジン、次いで2,2-ジメチル-1-プロパノール(2.03g、23.0mmol)のクロロホルム溶液を加え、室温(25℃、以下同じ。)にて20時間撹拌した。得られた褐色の粘性液体を硫酸アンモニウム水溶液で洗浄した後、精製水で洗浄し、クロロホルムをエバポレーターにより留去した。得られた淡黄色透明粘性液体を精製エタノールで2回再結晶し、60℃で24時間減圧乾燥することで、白色針状結晶のNS-EtDBP(3.12g、7.27mmol)を得た(収率48%)。また、生成物のMSによる同定結果を図3に示す。
Synthesis of (2,5-Dichlorophenyl) (4-ethyl-3- (neopentylsulfonyl) phenyl) methanone (NS-EtDBP)
A 200 ml three-necked flask was equipped with a dropping funnel, a calcium chloride tube, and a nitrogen introduction tube, and SC-EtDBP (5.79 g, 15.3 mmol) dissolved in chloroform was placed therein. Under a nitrogen atmosphere, pyridine and then a chloroform solution of 2,2-dimethyl-1-propanol (2.03 g, 23.0 mmol) were added to the solution, and the mixture was stirred at room temperature (25 ° C., the same applies hereinafter) for 20 hours. The obtained brown viscous liquid was washed with an aqueous ammonium sulfate solution and then washed with purified water, and chloroform was distilled off with an evaporator. The obtained pale yellow transparent viscous liquid was recrystallized twice with purified ethanol and dried under reduced pressure at 60 ° C. for 24 hours to obtain NS-EtDBP (3.12 g, 7.27 mmol) as white needle crystals (yield) 48%). Moreover, the identification result by MS of a product is shown in FIG.

以上により得られたNS-EtDBPをモノマーとして、スキーム2に示す手順で重合をおこない、S-PEtBPを得た。   Polymerization was carried out by the procedure shown in Scheme 2 using NS-EtDBP obtained as described above as a monomer, to obtain S-PEtBP.

Figure 0006278507
Figure 0006278507

Poly(2-(4-ethyl-3-(neopentylsulfonyl)benzoyl)-1,4-phenylene(NS-PEtBP)の合成
表3に示す仕込み組成にて以下の手順で重合反応をおこない、NS-PEtBPを得た。
アルゴン雰囲気下のグローブボックス内で、50 ml三口フラスコにNaI、PPh3、Zn、NMPおよびニッケルビス(トリフェニルホスフィン)ジクロリドNi(PPh3)2Cl2を入れ、触媒を調製した。また、NS-EtDBPをNMPに溶解し、滴下漏斗に入れ、三口フラスコに取り付けた。グローブボックスから取り出し、アルゴン雰囲気下、40℃にてスリーインワンモーターで攪拌した。触媒溶液が深紅色に変化後、15分経過したところでオイルバスを65℃に上げると同時に滴下漏斗よりモノマー溶液を加え、24時間高速撹拌した。
反応終了後、得られた暗赤色固体をメタノール300ml(含HCl30ml)中で24時間攪拌し、固体を吸引ろ過(メンブランフィルター、疎水、ポアサイズ3.0μm)し、50℃で24時間減圧乾燥した。得られた固体をクロロホルム(5質量%)に溶解し、吸引ろ過(桐山ろ紙5A)後、約10倍量のメタノールに再沈澱した。沈殿を回収後、50℃で減圧乾燥させた。引き続き50℃で24時間減圧乾燥することで白色固体のNS-PEtBPを得た。生成物の収量および収率を表3にあわせて示した。
Synthesis of Poly (2- (4-ethyl-3- (neopentylsulfonyl) benzoyl) -1,4-phenylene (NS-PEtBP) A polymerization reaction is carried out according to the following procedure with the charge composition shown in Table 3, and NS-PEtBP is Obtained.
In a glove box under an argon atmosphere, a catalyst was prepared by putting NaI, PPh 3 , Zn, NMP and nickel bis (triphenylphosphine) dichloride Ni (PPh 3 ) 2 Cl 2 into a 50 ml three-necked flask. In addition, NS-EtDBP was dissolved in NMP, placed in a dropping funnel, and attached to a three-necked flask. The product was taken out from the glove box and stirred with a three-in-one motor at 40 ° C. in an argon atmosphere. After 15 minutes had passed since the catalyst solution turned deep red, the oil bath was raised to 65 ° C. and at the same time the monomer solution was added from the dropping funnel and stirred at high speed for 24 hours.
After completion of the reaction, the obtained dark red solid was stirred in 300 ml of methanol (30 ml of HCl) for 24 hours, and the solid was subjected to suction filtration (membrane filter, hydrophobic, pore size: 3.0 μm) and dried under reduced pressure at 50 ° C. for 24 hours. The obtained solid was dissolved in chloroform (5% by mass), and after suction filtration (Kiriyama filter paper 5A), it was reprecipitated in about 10 times the amount of methanol. The precipitate was collected and dried under reduced pressure at 50 ° C. Subsequently, NS-PEtBP as a white solid was obtained by drying under reduced pressure at 50 ° C. for 24 hours. The yield and yield of the product are shown in Table 3.

Figure 0006278507
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Poly(2-(4-ethyl-3-sulfobenzolyl)-1,4-phenylene)(S-PEtBP)の合成
表4に示す仕込み組成にて以下の手順で脱保護をおこない、S-PEtBPを得た。
100mlの三口フラスコに還流冷却管、塩化カルシウム管、滴下漏斗を取り付け、NS-PEtBPと精製したNMPを入れ、窒素雰囲気下、80℃で攪拌した。固体が完全に溶解した後、滴下漏斗からジエチルアミン臭化水素酸のNMP溶液を滴下し、反応溶液を120℃に上昇させ24時間攪拌した。反応終了後、得られた茶褐色粘性溶液をメタノール300ml(含HCl 30ml)中で24時間攪拌した。得られた白色固体を吸引ろ過(メンブランフィルター、親水、ポアサイズ1.0μm)し、1 mol dm-3 HCl水溶液中で24時間攪拌した。
Synthesis of Poly (2- (4-ethyl-3-sulfobenzolyl) -1,4-phenylene) (S-PEtBP) Deprotection was carried out by the following procedure with the preparation composition shown in Table 4 to obtain S-PEtBP. .
A reflux condenser, a calcium chloride pipe, and a dropping funnel were attached to a 100 ml three-necked flask, and NS-PEtBP and purified NMP were added thereto, followed by stirring at 80 ° C. in a nitrogen atmosphere. After the solid was completely dissolved, an NMP solution of diethylamine hydrobromic acid was added dropwise from the dropping funnel, and the reaction solution was raised to 120 ° C. and stirred for 24 hours. After completion of the reaction, the resulting brown viscous solution was stirred in 300 ml of methanol (30 ml of HCl) for 24 hours. The obtained white solid was subjected to suction filtration (membrane filter, hydrophilic, pore size: 1.0 μm) and stirred in 1 mol dm −3 HCl aqueous solution for 24 hours.

攪拌後の液を精製水中に投与し、pH試験紙でろ液がほぼ中性になるまで攪拌し、吸引ろ過(メンブランフィルター、親水、ポアサイズ1.0μm)後、80℃で24時間減圧乾燥した。得られた茶色固体をNMP (10質量%)に溶解し、吸引ろ過(桐山ろ紙5A)後、約10倍量のジエチルエーテルに再沈澱した。沈殿物を吸引ろ過(メンブランフィルター、疎水、ポアサイズ3.0μm)し、80℃で24時間減圧乾燥することで、茶色固体のS-PEtBPを得た。生成物の収量および収率を表4にあわせて示した。
また、得られたポリマーの分子量はMn=57,400、Mw=155,000であった。
The liquid after stirring was administered into purified water, stirred with pH test paper until the filtrate became almost neutral, suction filtered (membrane filter, hydrophilic, pore size: 1.0 μm), and then dried under reduced pressure at 80 ° C. for 24 hours. The obtained brown solid was dissolved in NMP (10% by mass), subjected to suction filtration (Kiriyama filter paper 5A), and then reprecipitated into about 10 times the amount of diethyl ether. The precipitate was subjected to suction filtration (membrane filter, hydrophobic, pore size: 3.0 μm) and dried under reduced pressure at 80 ° C. for 24 hours to obtain brown solid S-PEtBP. The yield and yield of the product are shown in Table 4.
Moreover, the molecular weight of the obtained polymer was Mn = 57,400 and Mw = 155,000.

Figure 0006278507
Figure 0006278507

(実施例2)
本実施例では、スキーム3および4の手順に従い、以下に示すポリマー:Poly(2-(4-butyl-3-sulfobenzoyl)-1,4-phenylene)(S-PBuBP)の合成をおこなった。
(Example 2)
In this example, the following polymer: Poly (2- (4-butyl-3-sulfobenzoyl) -1,4-phenylene) (S-PBuBP) was synthesized according to the procedures of Schemes 3 and 4.

Figure 0006278507
Figure 0006278507

(4-Butyl-3-(neopentylsulfonyl)phenyl)(2,5-dichlorophenyl)methanone(NS-BuDBP)の合成)
まず、スキーム3に従い、モノマーであるNS-BuDBPを合成した。
(Synthesis of 4-Butyl-3- (neopentylsulfonyl) phenyl) (2,5-dichlorophenyl) methanone (NS-BuDBP))
First, according to Scheme 3, a monomer NS-BuDBP was synthesized.

Figure 0006278507
Figure 0006278507

(4-Butylphenyl)(2,5-dichlorophenyl)methanone(BuDBP)の合成
300mlの三口丸底フラスコに還流冷却管、塩化カルシウム管、窒素導入管、およびアルカリトラップを取り付け、実施例1に記載の方法で合成したDCBC(48.8g、233mmol)、n-ブチルベンゼン(32.2g、240mmol)を入れた。窒素雰囲気下、塩化アルミニウム(40.1g、301mmol)を数回に分けて加え、オイルバスで75℃に加熱し3時間攪拌した。得られた褐色の粘性液体を氷水に展開し、その後クロロホルムを加え、室温でしばらく撹拌した。白濁した上層(水層)と黄色透明の下層(有機層)に分離し、残った水層を100mlのクロロホルムで抽出した。これを3回繰り返した後、先に回収した有機層と合わせた。得られた有機層を10質量%塩酸、炭酸水素ナトリウム水溶液、および精製水の順で三回ずつ洗浄し、塩化カルシウムで24時間乾燥させた。クロロホルムをエバポレーターにより留去し、ブチルベンゼンを真空エバポレーターにより留去した。得られた黄色固を体精製メタノールで2回再結晶し、40℃で24時間減圧乾燥することで、白色固体のBuDBP(38.2g、124mmol)を得た(収率53%)。また、生成物のMSによる同定結果を図4に示す。
Synthesis of (4-Butylphenyl) (2,5-dichlorophenyl) methanone (BuDBP)
DCBC (48.8 g, 233 mmol) synthesized by the method described in Example 1 and n-butylbenzene (32.2 g) were attached to a 300 ml three-necked round bottom flask equipped with a reflux condenser, a calcium chloride tube, a nitrogen inlet tube, and an alkali trap. 240 mmol). Under a nitrogen atmosphere, aluminum chloride (40.1 g, 301 mmol) was added in several portions, heated to 75 ° C. in an oil bath and stirred for 3 hours. The obtained brown viscous liquid was developed in ice water, chloroform was then added, and the mixture was stirred at room temperature for a while. The mixture was separated into a cloudy upper layer (aqueous layer) and a yellow transparent lower layer (organic layer), and the remaining aqueous layer was extracted with 100 ml of chloroform. This was repeated three times, and then combined with the organic layer collected earlier. The obtained organic layer was washed three times in the order of 10% by mass hydrochloric acid, aqueous sodium hydrogen carbonate solution and purified water, and dried over calcium chloride for 24 hours. Chloroform was distilled off with an evaporator, and butylbenzene was distilled off with a vacuum evaporator. The resulting yellow solid was recrystallized twice with purified body methanol and dried under reduced pressure at 40 ° C. for 24 hours to obtain BuDBP (38.2 g, 124 mmol) as a white solid (yield 53%). Moreover, the identification result by MS of a product is shown in FIG.

2-Butyl-5-(2,5-dichlorobenzoyl)benzene-1-sulfonyl chloride(SC-BuDBP)の合成
表5に示す仕込み組成にて、以下の手順でSC-BuDBPを合成した。
100ml三口フラスコに滴下漏斗、還流冷却管、窒素導入管、塩化カルシウム管、およびアルカリトラップを取り付け、BuDBPを入れた。そこに滴下漏斗からクロロスルホン酸を滴下し、窒素雰囲気下、オイルバスで攪拌した。反応終了後、得られた黄褐色の粘性液体を100mlの氷水中に展開し、氷浴上で攪拌した。
得られた白色沈殿物と水槽を分離し、水層をジクロロエタンで3回抽出した。得られた有機層と白色沈殿物を合わせ、炭酸水素ナトリウム水溶液、精製水の順で洗浄した後、エバポレーターによりジクロロエタンを留去した。得られた白色固体を吸引ろ過(メンブランフィルター、疎水、ポアサイズ1.0μm)後、ろ紙上の結晶を冷却したn-ヘキサンで洗浄した。これを40℃で24時間減圧乾燥することで、SC-BuDBPを得た。生成物の収量および収率を表5にあわせて示した。
Synthesis of 2-Butyl-5- (2,5-dichlorobenzoyl) benzene-1-sulfonyl chloride (SC-BuDBP) SC-BuDBP was synthesized by the following procedure using the charging composition shown in Table 5.
A dropping funnel, a reflux condenser, a nitrogen inlet tube, a calcium chloride tube, and an alkali trap were attached to a 100 ml three-necked flask, and BuDBP was placed therein. The chlorosulfonic acid was dripped there from the dropping funnel, and it stirred with the oil bath in nitrogen atmosphere. After completion of the reaction, the resulting yellow-brown viscous liquid was developed in 100 ml of ice water and stirred on an ice bath.
The obtained white precipitate and the water tank were separated, and the aqueous layer was extracted with dichloroethane three times. The obtained organic layer and white precipitate were combined and washed with an aqueous sodium hydrogen carbonate solution and purified water in this order, and then dichloroethane was distilled off with an evaporator. The obtained white solid was subjected to suction filtration (membrane filter, hydrophobic, pore size 1.0 μm), and the crystals on the filter paper were washed with cooled n-hexane. This was dried under reduced pressure at 40 ° C. for 24 hours to obtain SC-BuDBP. The yield and yield of the product are shown in Table 5.

Figure 0006278507
Figure 0006278507

(4-Butyl-3-(neopentylsulfonyl)phenyl)(2,5-dichlorophenyl)methanone(NS-BuDBP)の合成
表6に示す仕込み組成にて、以下の手順でNS-BuDBPを合成した。
200ml三口フラスコに滴下漏斗、塩化カルシウム管、および窒素導入管を取り付け、クロロホルムに溶解させたSC-BuDBPを入れた。窒素雰囲気下で、この溶液にピリジン、次いで2,2-ジメチル-1-プロパノールのクロロホルム溶液を加え、室温にて20時間撹拌した。得られた褐色の粘性液体を硫酸アンモニウム水溶液、次いで精製水で洗浄し、クロロホルムをエバポレーターにより留去した。得られた白色固体を精製メタノールで2回再結晶し、45℃で24時間減圧乾燥することで、針状結晶のNS-BuDBPを得た。生成物の収量および収率を表6にあわせて示した。また、生成物のMSによる同定結果を図5に示す。
Synthesis of (4-Butyl-3- (neopentylsulfonyl) phenyl) (2,5-dichlorophenyl) methanone (NS-BuDBP) NS-BuDBP was synthesized by the following procedure using the charge composition shown in Table 6.
A 200-ml three-necked flask was equipped with a dropping funnel, a calcium chloride tube, and a nitrogen introduction tube, and SC-BuDBP dissolved in chloroform was placed therein. Under a nitrogen atmosphere, pyridine and then a chloroform solution of 2,2-dimethyl-1-propanol were added to this solution, followed by stirring at room temperature for 20 hours. The obtained brown viscous liquid was washed with an aqueous ammonium sulfate solution and then with purified water, and chloroform was distilled off with an evaporator. The obtained white solid was recrystallized twice with purified methanol and dried under reduced pressure at 45 ° C. for 24 hours to obtain needle-like NS-BuDBP. The yield and yield of the product are shown in Table 6. Moreover, the identification result by MS of a product is shown in FIG.

Figure 0006278507
Figure 0006278507

以上により得られたNS-BuDBPをモノマーとして、スキーム4に示す手順で重合をおこない、S-PBuBPを得た。   Polymerization was performed according to the procedure shown in Scheme 4 using NS-BuDBP obtained as described above as a monomer to obtain S-PBuBP.

Figure 0006278507
Figure 0006278507

Poly(2-(4-butyl-3-(neopentylsulfonyl)benzoyl)-1,4-phenylene(NS-PBuBP)の合成
アルゴン雰囲気下のグローブボックス内で、100ml三口フラスコにNaI 0.037g(0.25mmol)、PPh3 0.209g(0.798mmol)、Zn 0.193g(2.96mmol)、およびNi(PPh3)2Cl2 0.039g(0.060mmol)を入れ、触媒を調整した。また、NS-BuDBP 0.913g(1.99mmol)をNMP 1mlに溶解し、滴下漏斗に入れ、三口フラスコに取り付けた。NMP 2mlを触媒に加えた後、グローブボックスから取り出し、アルゴン雰囲気下、40℃にてスリーインワンモーターで攪拌した。触媒溶液が深紅色に変化後、15分経過したところでオイルバスを65℃に上げると同時に滴下漏斗よりモノマー溶液を加え、24時間高速撹拌した。
反応終了後、得られた暗赤色固体をメタノール300ml(含HCl30ml)中で24時間攪拌し、固体を吸引ろ過(メンブランフィルター、疎水、ポアサイズ3.0μm)し、50℃で24時間減圧乾燥した。得られた固体をクロロホルム(5質量%)に溶解し、吸引ろ過(桐山ろ紙 5A)後、約10倍量のメタノールに再沈澱した。沈殿を回収後、50℃で減圧乾燥させた。再沈殿および減圧乾燥について同様な操作を行い、50℃で24時間減圧乾燥することで白色固体のNS-PBuBPを得た(収量0.342g、収率92%)。
Synthesis of Poly (2- (4-butyl-3- (neopentylsulfonyl) benzoyl) -1,4-phenylene (NS-PBuBP) In a glove box under argon atmosphere, 0.037 g (0.25 mmol) of NaI in a 100 ml three-necked flask, PPh 3 0.209 g (0.798 mmol), Zn 0.193 g (2.96 mmol), and Ni (PPh 3 ) 2 Cl 2 0.039 g (0.060 mmol) were added to prepare the catalyst, and NS-BuDBP 0.913 g (1.99 mmol) Was dissolved in 1 ml of NMP, placed in a dropping funnel and attached to a three-necked flask, and after 2 ml of NMP was added to the catalyst, it was removed from the glove box and stirred with a three-in-one motor at 40 ° C. in an argon atmosphere. After changing to deep red, 15 minutes passed, the oil bath was raised to 65 ° C. and the monomer solution was added from the dropping funnel and stirred at high speed for 24 hours.
After completion of the reaction, the obtained dark red solid was stirred in 300 ml of methanol (30 ml of HCl) for 24 hours, and the solid was subjected to suction filtration (membrane filter, hydrophobic, pore size: 3.0 μm) and dried under reduced pressure at 50 ° C. for 24 hours. The obtained solid was dissolved in chloroform (5% by mass), and after suction filtration (Kiriyama filter paper 5A), it was reprecipitated in about 10 times the amount of methanol. The precipitate was collected and dried under reduced pressure at 50 ° C. The same operation was performed for reprecipitation and drying under reduced pressure, and drying under reduced pressure at 50 ° C. for 24 hours gave NS-PBuBP as a white solid (yield 0.342 g, yield 92%).

Poly(2-(4-butyl-3-sulfobenzoyl)-1,4-phenylene)(S-PBuBP)の合成
100mlの三口フラスコに還流冷却管、塩化カルシウム管、滴下漏斗を取り付け、NS-PBuBP 1.40gと精製したNMP 7mlを入れ、窒素雰囲気下、80℃で攪拌した。固体が完全に溶解した後、滴下漏斗からジエチルアミン臭化水素酸のNMP溶液を滴下し、反応溶液を120℃に上昇させ24時間攪拌した。反応終了後、得られた茶褐色粘性溶液をメタノール300ml(含HCl30ml)中で24時間攪拌した。得られた白色固体を吸引ろ過(メンブランフィルター、親水、ポアサイズ1.0μm)し、1 mol dm-3 HCl水溶液中で、室温にて24時間攪拌した。
攪拌後の液を精製水中に投与し、pH試験紙でろ液がほぼ中性になるまで攪拌し、吸引ろ過(メンブランフィルター、親水、ポアサイズ1.0μm)後、80℃で24時間減圧乾燥した。得られた茶色固体をNMP(10質量%)に溶解し、吸引ろ過(桐山ろ紙 5A)後、約10倍量のジエチルエーテルに再沈澱した。沈殿物を吸引ろ過(メンブランフィルター、疎水、ポアサイズ3.0μm)し、80℃で24時間減圧乾燥することで、茶色固体のS-PBuBPを得た(収量0.75g、収率54%)。
また、得られたポリマーの分子量はMn=42,400、Mw=121,000であった。
Synthesis of Poly (2- (4-butyl-3-sulfobenzoyl) -1,4-phenylene) (S-PBuBP)
A reflux condenser, a calcium chloride pipe, and a dropping funnel were attached to a 100 ml three-necked flask, and 1.40 g of NS-PBuBP and 7 ml of purified NMP were placed therein, followed by stirring at 80 ° C. in a nitrogen atmosphere. After the solid was completely dissolved, an NMP solution of diethylamine hydrobromic acid was added dropwise from the dropping funnel, and the reaction solution was raised to 120 ° C. and stirred for 24 hours. After completion of the reaction, the resulting brown viscous solution was stirred in 300 ml of methanol (30 ml of HCl) for 24 hours. The obtained white solid was subjected to suction filtration (membrane filter, hydrophilic, pore size: 1.0 μm), and stirred in 1 mol dm −3 HCl aqueous solution at room temperature for 24 hours.
The liquid after stirring was administered into purified water, stirred with pH test paper until the filtrate became almost neutral, suction filtered (membrane filter, hydrophilic, pore size: 1.0 μm), and then dried under reduced pressure at 80 ° C. for 24 hours. The obtained brown solid was dissolved in NMP (10% by mass), subjected to suction filtration (Kiriyama filter paper 5A), and then reprecipitated in about 10 times the amount of diethyl ether. The precipitate was subjected to suction filtration (membrane filter, hydrophobic, pore size: 3.0 μm) and dried under reduced pressure at 80 ° C. for 24 hours to obtain brown solid S-PBuBP (yield 0.75 g, yield 54%).
Moreover, the molecular weight of the obtained polymer was Mn = 42,400 and Mw = 11,000.

(実施例3)
本実施例では、以下の手順により、以下に示すポリマー:Poly(2-(4-(3-sulfopropyl)benzoyl-1,4-phenylene)(S-PrPBP)を合成した。
(Example 3)
In this example, the following polymer: Poly (2- (4- (3-sulfopropyl) benzoyl-1,4-phenylene) (S-PrPBP)) was synthesized by the following procedure.

Figure 0006278507
Figure 0006278507

(4-(3-Bromopropyl)phenyl)(2,5-dichlorophenyl)methanone(BDCM)の合成
スキーム5に示す手順でBDCMを合成した。
Synthesis of (4- (3-Bromopropyl) phenyl) (2,5-dichlorophenyl) methanone (BDCM) BDCM was synthesized by the procedure shown in Scheme 5.

Figure 0006278507
Figure 0006278507

窒素雰囲気下、三口フラスコに、ジムロート冷却管、塩化カルシウム管、及びアルカリトラップを取り付けた。三口フラスコの側管に、窒素導入管、滴下漏斗を取り付け、実施例1に記載の方法で合成したDCBC 47.7g(0.227mol)、ジクロロメタン170mlを入れ、塩化アルミニウム35.0g(0.263mol)を加えて、氷水中で10分間攪拌した。滴下漏斗より(3-bromopropyl)benzene(3-PPB)45.2 g(0.227mol)をゆっくりと滴下し、4時間攪拌した。溶液は茶褐色溶液となった。反応溶液を、体積分率で塩酸10%を含む氷水中に展開し、1時間攪拌した。溶液は白黄色の不透明溶液となった。反応溶液を含む氷水を分液漏斗に入れ、下層の桃色有機層を抽出し、10 %水酸化ナトリウム水溶液で1回、水で4回繰り返し洗浄し、抽出した有機層を無水硫酸マグネシウムを加えて24時間乾燥させた。溶液は橙色となった。その後エバポレーターで、ジクロロメタンを留去し、得られた固体を再結晶により2回精製し、白色透明固体のBDCMを得た(収量36.7g、収率43%)。また、生成物のMSによる同定結果を図6に示す。   Under a nitrogen atmosphere, a Dimroth condenser, a calcium chloride pipe, and an alkali trap were attached to a three-necked flask. A nitrogen inlet tube and a dropping funnel were attached to the side tube of the three-necked flask, and 47.7 g (0.227 mol) of DCBC synthesized by the method described in Example 1 and 170 ml of dichloromethane were added, and 35.0 g (0.263 mol) of aluminum chloride was added. And stirred in ice water for 10 minutes. From the dropping funnel, 45.2 g (0.227 mol) of (3-bromopropyl) benzene (3-PPB) was slowly dropped and stirred for 4 hours. The solution became a brown solution. The reaction solution was developed in ice water containing 10% hydrochloric acid at a volume fraction and stirred for 1 hour. The solution became a white-yellow opaque solution. Ice water containing the reaction solution is put into a separatory funnel, the lower pink organic layer is extracted, washed once with 10% aqueous sodium hydroxide and 4 times with water, and the extracted organic layer is added with anhydrous magnesium sulfate. Dry for 24 hours. The solution became orange. Thereafter, dichloromethane was distilled off with an evaporator, and the obtained solid was purified twice by recrystallization to obtain a white transparent solid BDCM (yield 36.7 g, yield 43%). Moreover, the identification result by MS of a product is shown in FIG.

Sodium 3-(4-(2,5-dichlorobenzoyl)phenyl)propane-1-sulfonate(DPS-Na)の合成
スキーム6に示す手順でDPS-Naを合成した。
Synthesis of Sodium 3- (4- (2,5-dichlorobenzoyl) phenyl) propane-1-sulfonate (DPS-Na) DPS-Na was synthesized by the procedure shown in Scheme 6.

Figure 0006278507
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500ml三口フラスコに、BDCM 18.9g(50.8 mmol)、エタノール180ml、水75mlを加え入れた。フラスコにスターラーチップを入れ、その上に窒素導入管を付けたジムロート冷却管を付け、攪拌しながらオイルバスで加熱した。そこに亜硫酸ナトリウム18.9g(150mmol)を加え入れ、系内を窒素雰囲気下で、48時間、100℃で加熱還流を続けた。溶液は次第に白く懸濁した。反応溶液からエバポレーターにより水とエタノールを留去した。得られた白色固体をフラスコに移し、熱水を加えてオイルバスで加熱し、白色固体を完全に溶解させた。その後桐山ろ紙(5A)を用いて熱ろ過を行い、冷却させ、白色固体を得た。得られた白色固体を、メンブランフィルター(親水、ポアサイズ1.0μm)でろ過後、水で洗浄し、白色板状固体を得た。その後メタノール・アセトンを用いて再結晶した(収量12.8g、収率72%)。また、生成物のMSによる同定結果を図7に示す。   To a 500 ml three-necked flask, 18.9 g (50.8 mmol) of BDCM, 180 ml of ethanol, and 75 ml of water were added. A stirrer chip was placed in the flask, and a Dimroth condenser tube with a nitrogen inlet tube was attached to the flask. Thereto was added 18.9 g (150 mmol) of sodium sulfite, and the system was heated to reflux at 100 ° C. for 48 hours under a nitrogen atmosphere. The solution gradually became white. Water and ethanol were distilled off from the reaction solution with an evaporator. The obtained white solid was transferred to a flask, hot water was added and heated in an oil bath, and the white solid was completely dissolved. Thereafter, it was subjected to hot filtration using Kiriyama filter paper (5A) and cooled to obtain a white solid. The obtained white solid was filtered through a membrane filter (hydrophilic, pore size: 1.0 μm) and then washed with water to obtain a white plate-like solid. Thereafter, recrystallization was performed using methanol / acetone (yield 12.8 g, yield 72%). Moreover, the identification result by MS of a product is shown in FIG.

3-(4-(2,5-Dichlorobenzoyl)phenyl)propane-1-sulfonyl chloride(SC-PrDBP)の合成
スキーム7に示す手順でSC-PrDBPを合成した。
Synthesis of 3- (4- (2,5-Dichlorobenzoyl) phenyl) propane-1-sulfonyl chloride (SC-PrDBP) SC-PrDBP was synthesized by the procedure shown in Scheme 7.

Figure 0006278507
Figure 0006278507

100ml三口フラスコに、スターラーチップを入れ、側管に窒素導入管と滴下漏斗、上側に塩化カルシウム管とアルカリトラップを付けたジムロート冷却管を付け、窒素雰囲気下、DPS-Na 9.03g(22.9mmol)とDMF 15mlを加えた。氷浴で冷却してから、塩化チオニル9.01g(75.5mmol)を滴下漏斗から加え入れ、室温で3時間撹拌を続けた。溶液は次第に黄色く懸濁した。反応溶液をジクロロメタン150mlと水100mlの混合溶媒に展開し、有機層を抽出後、炭酸水素ナトリウム水溶液、水で洗浄した後、エバポレーターにより溶媒を留去した。残渣の透明淡黄色液体を真空乾燥することにより、白色板状固体を得た(収量:8.48g、収率:94%)。また、生成物のMSによる同定結果を図8に示す。   A stirrer tip is placed in a 100 ml three-necked flask, a nitrogen inlet tube and a dropping funnel are attached to the side tube, a Dimroth condenser tube with a calcium chloride tube and an alkali trap is attached to the upper side, and DPS-Na 9.03 g (22.9 mmol) in a nitrogen atmosphere And 15 ml of DMF was added. After cooling in an ice bath, 9.01 g (75.5 mmol) of thionyl chloride was added from the dropping funnel, and stirring was continued at room temperature for 3 hours. The solution gradually suspended in yellow. The reaction solution was developed into a mixed solvent of 150 ml of dichloromethane and 100 ml of water, the organic layer was extracted, washed with an aqueous sodium hydrogen carbonate solution and water, and then the solvent was distilled off by an evaporator. The residual transparent pale yellow liquid was vacuum-dried to obtain a white plate-like solid (yield: 8.48 g, yield: 94%). Moreover, the identification result by MS of a product is shown in FIG.

(2,5-Dichlorophenyl)(4-(3-(neopentylsulfonyl)propyl)phenyl)methanone(NS-PrDBP)の合成
スキーム8に示す手順でNS-PrDBPを合成した。
Synthesis of (2,5-Dichlorophenyl) (4- (3- (neopentylsulfonyl) propyl) phenyl) methanone (NS-PrDBP) NS-PrDBP was synthesized by the procedure shown in Scheme 8.

Figure 0006278507
Figure 0006278507

100ml三口フラスコに、スターラーチップを入れ、側管に窒素導入管と滴下漏斗、上側に塩化カルシウム管を付け、窒素雰囲気下で、SC-PrDBP 8.48g(21.6mmol)を入れ、ピリジン3.41g(43.1mmol)、ジクロロメタン15mlを加えた。そこにネオペンチルアルコール1.90g(21.6 mmol)をジクロロメタン10mlに溶解させ滴下漏斗から加え入れ、室温下で20時間撹拌を続けた。溶液は次第に透明粘性液体となった。反応溶液をクロロホルムに展開し、有機層を抽出後、塩酸水溶液、炭酸水素ナトリウム水溶液、水で洗浄した後、エバポレーターにより溶媒を留去した。得られた固体を、メンブランフィルター(疎水、ポアサイズ1.0μm)でろ過後、ヘキサンで洗浄し、40℃で減圧乾燥を行うことで、白色板状固体を得た。その後、2-プロパノール/ヘキサンを用いて再結晶を三回行い、透明針状結晶のNS-PrDBPを得た(収量:5.40g、収率:56%)。また、生成物のMSによる同定結果を図9に示す。   A stirrer tip is placed in a 100 ml three-necked flask, a nitrogen inlet tube and a dropping funnel are attached to the side tube, and a calcium chloride tube is attached to the upper side. Under a nitrogen atmosphere, 8.48 g (21.6 mmol) of SC-PrDBP is added, and 3.41 g of pyridine (43.1 mmol), 15 ml of dichloromethane were added. Thereto, 1.90 g (21.6 mmol) of neopentyl alcohol was dissolved in 10 ml of dichloromethane, added through a dropping funnel, and stirring was continued at room temperature for 20 hours. The solution gradually became a clear viscous liquid. The reaction solution was developed in chloroform, the organic layer was extracted, washed with an aqueous hydrochloric acid solution, an aqueous sodium hydrogen carbonate solution, and water, and then the solvent was distilled off with an evaporator. The obtained solid was filtered through a membrane filter (hydrophobic, pore size: 1.0 μm), washed with hexane, and dried under reduced pressure at 40 ° C. to obtain a white plate-like solid. Then, recrystallization was performed three times using 2-propanol / hexane to obtain NS-PrDBP as a transparent needle crystal (yield: 5.40 g, yield: 56%). Moreover, the identification result by MS of a product is shown in FIG.

Poly(2-(4-(3-neopentylsulfonyl)propyl)benzoyl-1,4-phenylene)(NS-PrPBP)の合成
以上により得られたNS-PrDBPを用いて重合をおこない、スキーム9に示す手順でNS-PrPBPを合成した。
Synthesis of Poly (2- (4- (3-neopentylsulfonyl) propyl) benzoyl-1,4-phenylene) (NS-PrPBP) Polymerization was performed using NS-PrDBP obtained as described above, and the procedure shown in Scheme 9 was performed. NS-PrPBP was synthesized.

Figure 0006278507
Figure 0006278507

アルゴン雰囲気のグローブボックス内で、100ml三口フラスコに、ニッケルビス(トリフェニルホスフィン)ジクロリドとトリフェニルホスフィン、活性化させた亜鉛粉末とヨウ化ナトリウムを表7に示した分量で入れ、NMPを加え、触媒溶液を調製した。
次に、NS-PrDBPのNMP溶液を50mlサンプル瓶内で調製して、フラスコの側管に取り付けた滴下漏斗内に加えた。
上部に、テフロン(登録商標)フィンを付けた撹拌棒を挿入したバキュームシーラーを取り付けた後、グローブボックスから取り出し、アルゴン雰囲気下、40℃で15分間、スリーインワンモーターを用いて撹拌した。触媒溶液の色は次第に赤褐色に変化し、その後NS-PrDBPのNMP溶液を滴下漏斗から素早く滴下して、65℃で24時間撹拌した。
反応終了後、得られた暗黒色粘性体をメタノール・塩酸溶液中に加え、24時間撹拌して触媒を取り除いた。沈殿物をメンブランフィルター(疎水、ポアサイズ1.0μm)でろ過し、50℃で減圧乾燥して、淡黄色固体の粗NS-PrPBPを得た。さらに良溶媒のクロロホルムに溶解して貧溶媒であるメタノールに再沈殿し、沈殿物をろ過し、減圧乾燥した。この操作を2度繰り返し、白色綿状固体のNS-PrPBPを得た。
仕込み量、収量・収率は表7に示した通りである。
In a glove box in an argon atmosphere, put nickel bis (triphenylphosphine) dichloride and triphenylphosphine, activated zinc powder and sodium iodide in the amounts shown in Table 7 in a 100 ml three-necked flask, add NMP, A catalyst solution was prepared.
Next, an NMP solution of NS-PrDBP was prepared in a 50 ml sample bottle and added to the dropping funnel attached to the side tube of the flask.
A vacuum sealer into which a stirring bar with Teflon (registered trademark) fins was inserted was attached to the top, and then removed from the glove box and stirred using a three-in-one motor at 40 ° C. for 15 minutes in an argon atmosphere. The color of the catalyst solution gradually changed to reddish brown, and then an NMP solution of NS-PrDBP was quickly dropped from the dropping funnel and stirred at 65 ° C. for 24 hours.
After completion of the reaction, the resulting dark black viscous material was added to a methanol / hydrochloric acid solution and stirred for 24 hours to remove the catalyst. The precipitate was filtered through a membrane filter (hydrophobic, pore size: 1.0 μm) and dried under reduced pressure at 50 ° C. to obtain a pale yellow solid crude NS-PrPBP. Further, it was dissolved in chloroform as a good solvent and reprecipitated in methanol as a poor solvent, and the precipitate was filtered and dried under reduced pressure. This operation was repeated twice to obtain white flocculent solid NS-PrPBP.
The amounts charged, yield and yield are as shown in Table 7.

Figure 0006278507
Figure 0006278507

Poly(2-(4-(3-sulfopropyl)benzoyl-1,4-phenylene)(S-PrPBP)の合成
スキーム10に示す手順でS-PrDBPを合成した。
Synthesis of Poly (2- (4- (3-sulfopropyl) benzoyl-1,4-phenylene) (S-PrPBP) S-PrDBP was synthesized by the procedure shown in Scheme 10.

Figure 0006278507
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300ml三口フラスコにNS-PrPBPを量り入れ、側管にそれぞれ窒素導入管とジムロート冷却管を接続し、そこにNMPを加え入れ窒素雰囲気にした後、バキュームシーラーを取り付け、スリーインワンモーターを用い300rpmで撹拌しながら、80℃で加熱して固体を完全に溶解させた。そこに、ジエチルアミン臭化水素酸塩をNMPに溶解させ、パスツールで加え入れ、120℃で24時間加熱撹拌した。溶液は次第に茶褐色となった。その後、反応溶液を、撹拌中の10%塩酸を含むメタノール溶液にゆっくり滴下し、室温にて24時間撹拌を続けた。沈殿物をメンブランフィルター(疎水、ポアサイズ1.0μm)で回収し、50℃で減圧乾燥することで、赤褐色固体の粗精製S-PrPBPを得た。さらに粗精製固体をNMPに加熱溶解させて、THFに再沈殿させることにより精製した。得られた沈殿物をメンブランフィルター(疎水、ポアサイズ3.0μm)で回収し、S-PrPBPを得た。
仕込み量、収量・収率は表8に示した通りである。なお、表8において、収率は、脱保護が100%行われているとして、ポリマー重量から算出した。
また、得られたポリマーの分子量はMn=65,000、Mw=213,000であった。
NS-PrPBP is weighed into a 300 ml three-necked flask, a nitrogen inlet tube and a Dimroth condenser tube are connected to each side tube, NMP is added to it to make a nitrogen atmosphere, a vacuum sealer is attached, and a three in one motor is used at 300 rpm While stirring, the mixture was heated at 80 ° C. to completely dissolve the solid. Diethylamine hydrobromide was dissolved in NMP, added with a Pasteur, and heated and stirred at 120 ° C. for 24 hours. The solution gradually turned brown. Thereafter, the reaction solution was slowly added dropwise to a stirring methanol solution containing 10% hydrochloric acid, and stirring was continued at room temperature for 24 hours. The precipitate was collected with a membrane filter (hydrophobic, pore size 1.0 μm) and dried under reduced pressure at 50 ° C. to obtain a crude red-brown solid S-PrPBP. Further, the crudely purified solid was dissolved by heating in NMP and purified by reprecipitation in THF. The resulting precipitate was collected with a membrane filter (hydrophobic, pore size 3.0 μm) to obtain S-PrPBP.
The amounts charged, yield and yield are as shown in Table 8. In Table 8, the yield was calculated from the polymer weight, assuming that 100% deprotection was performed.
Moreover, the molecular weight of the obtained polymer was Mn = 65,000 and Mw = 213,000.

Figure 0006278507
Figure 0006278507

(実施例4)
本実施例においては、以下の手順でランダムコポリマーH-r-SPr(本明細書中、「SPr-r-H」ともいう。)の合成をおこなった。
Example 4
In this example, a random copolymer Hr-SPr (also referred to as “SPr-rH” in this specification) was synthesized by the following procedure.

GrignardモノマーM1およびM3の調製
GrignardモノマーM1およびM3の調製手順をスキーム11に示す。また、仕込み組成を表9に示す。
Preparation of Grignard monomers M1 and M3
The procedure for preparing Grignard monomers M1 and M3 is shown in Scheme 11. Table 9 shows the charged composition.

Figure 0006278507
Figure 0006278507

グローブボックス内でアルゴン雰囲気下にしたサンボトル中で、1,4-dibromo-2,5-dihexyloxybenzene(DBHB)および1,4-di[4-(2,2-dimetylpropoxysulfonyl)phenyl]propoxylbenzene(NS-DBPrB)をそれぞれTHFに溶解し、isopropylmagnesium chloride lithiumchloride complexのTHF溶液を加え、40℃で5時間反応させることで0.455Mのモノマー溶液を調製した。   1,4-dibromo-2,5-dihexyloxybenzene (DBHB) and 1,4-di [4- (2,2-dimetylpropoxysulfonyl) phenyl] propoxylbenzene (NS-) in a sun bottle under an argon atmosphere in a glove box DBPrB) was dissolved in THF, THF solution of isopropylmagnesium chloride lithiumchloride complex was added, and reacted at 40 ° C. for 5 hours to prepare 0.455M monomer solution.

Figure 0006278507
Figure 0006278507

得られた各モノマー溶液を用いて、スキーム12に示す手順および表10に示す条件で重合反応をおこなった。   Using each monomer solution obtained, a polymerization reaction was carried out under the procedure shown in Scheme 12 and the conditions shown in Table 10.

Figure 0006278507
Figure 0006278507

アルゴン雰囲気下にしたフラスコ中で、Ni(dppe)Cl2をTHFに溶解し、触媒溶液を調製した。室温で触媒溶液に、調製したM1とM3モノマー溶液の混合溶液を添加し、30時間撹拌した。撹拌後、HCl aq./methanol混合溶液(1:5、v/v)に展開し撹拌した。沈殿物を吸引ろ過し、60℃で24時間減圧乾燥した。得られた固体をchloroformに溶解し、methanol/acetone溶液(1:1、v/v)への再沈澱により精製を行った。 In a flask placed under an argon atmosphere, Ni (dppe) Cl 2 was dissolved in THF to prepare a catalyst solution. The prepared mixed solution of M1 and M3 monomer solution was added to the catalyst solution at room temperature and stirred for 30 hours. After stirring, the mixture was developed into a HCl aq./methanol mixed solution (1: 5, v / v) and stirred. The precipitate was suction filtered and dried under reduced pressure at 60 ° C. for 24 hours. The obtained solid was dissolved in chloroform and purified by reprecipitation into a methanol / acetone solution (1: 1, v / v).

Figure 0006278507
Figure 0006278507

ランダムコポリマーH-r-SPrの合成
スキーム13に示す手順および表11に示す条件で脱保護反応をおこなった。
Synthesis of Random Copolymer Hr-SPr The deprotection reaction was performed according to the procedure shown in Scheme 13 and the conditions shown in Table 11.

Figure 0006278507
Figure 0006278507

還流冷却管をつけた三口フラスコにポリマーとNMPを入れ、窒素雰囲気下、80℃で攪拌した。固体が完全に溶解した後、反応溶液を120℃に上昇させdiethylaminehydrobromideのNMP溶液を滴下し48時間攪拌した。茶褐色粘性溶液をジエチルエーテル中に展開し、吸引ろ過により回収した。得られた赤褐色固体を1M HCl aq.中で48時間、次に精製水中で24時間攪拌し、吸引ろ過で回収した後、60℃で24時間減圧乾燥した。
得られたポリマーにおいて、m=134、n=314であった。
A polymer and NMP were placed in a three-necked flask equipped with a reflux condenser and stirred at 80 ° C. in a nitrogen atmosphere. After the solid was completely dissolved, the reaction solution was raised to 120 ° C. and an NMP solution of diethylaminehydrobromide was added dropwise and stirred for 48 hours. The brownish brown viscous solution was developed in diethyl ether and collected by suction filtration. The obtained reddish brown solid was stirred in 1M HCl aq. For 48 hours, then in purified water for 24 hours, recovered by suction filtration, and then dried under reduced pressure at 60 ° C. for 24 hours.
In the obtained polymer, m = 134 and n = 314.

Figure 0006278507
Figure 0006278507

(実施例5)
本実施例では、実施例1で得られたS-PEtBPおよび実施例2で得られたS-PBuBPの各種溶媒への溶解性を評価した。結果をそれぞれ表12および表13に示す。表12および表13において、「×」は溶媒に不溶であったことを示し、「○」は溶媒に可溶であったことを示す。
これまで、剛直な骨格からなるポリフェニレン構造では溶解性などの加工時の作業性の点で改善の余地があった。
これに対し、各実施例で得られたS-PEtBP、S-PBuBP骨格では、柔軟なアルキル基を側鎖に導入したことにより、表12および表13に示すように、有機溶媒に対する溶解性が向上した。
(Example 5)
In this example, the solubility of S-PEtBP obtained in Example 1 and S-PBuBP obtained in Example 2 in various solvents was evaluated. The results are shown in Table 12 and Table 13, respectively. In Table 12 and Table 13, “x” indicates that the solvent was insoluble, and “◯” indicates that the solvent was soluble.
Up to now, there has been room for improvement in terms of workability at the time of processing such as solubility in a polyphenylene structure having a rigid skeleton.
On the other hand, in the S-PEtBP and S-PBuBP skeletons obtained in each Example, by introducing a flexible alkyl group into the side chain, as shown in Table 12 and Table 13, the solubility in organic solvents is Improved.

Figure 0006278507
Figure 0006278507

Figure 0006278507
Figure 0006278507

(実施例6)
本実施例では、以上の実施例で得られたポリマーのアイオノマーとしての特性を評価した。
(Example 6)
In this example, the properties of the polymers obtained in the above examples as ionomers were evaluated.

(水素・酸素ガス透過係数の測定)
実施例1〜3で得られたポリマー、および、アルキル基を導入していない類似のポリマー(以下に示すS−PPBP)について、ガス透過係数を測定した。なお、以下に、用いたポリマーの構造および逆滴定法または元素分析法により求めたIECを示す。
(Measurement of hydrogen / oxygen gas permeability coefficient)
The gas permeability coefficient was measured about the polymer obtained in Examples 1-3 and the similar polymer (S-PPBP shown below) which has not introduce | transduced the alkyl group. The structure of the polymer used and the IEC determined by back titration method or elemental analysis method are shown below.

Figure 0006278507
Figure 0006278507

まず、各ポリマーについて、以下の方法で試料膜を形成した。
各ポリマーをDMSO等の良溶媒に溶解(5質量%)し、これをろ過した。ガラス基板上に溶液をキャストし、80℃で12時間乾燥、さらに80℃で3時間減圧乾燥した。基板からはく離後、1mol/l HCl水溶液、精製水で洗浄し、その後65℃で24時間減圧乾燥した。
First, a sample film was formed for each polymer by the following method.
Each polymer was dissolved in a good solvent such as DMSO (5% by mass) and filtered. The solution was cast on a glass substrate, dried at 80 ° C. for 12 hours, and further dried at 80 ° C. for 3 hours under reduced pressure. After peeling from the substrate, it was washed with 1 mol / l HCl aqueous solution and purified water, and then dried under reduced pressure at 65 ° C. for 24 hours.

3.5 x 3.5 cmの正方形に成型した試料膜をセルに設置し、ガスクロマトグラフG2700T (Yanaco社製)を取り付けたフロー式ガス・水蒸気透過度測定装置GTR-20XFMD(GTRテック社製)装置を用いて測定を行なった。30ml min-1の割合で酸素、水素ガスを供給し、80℃、相対湿度0から90%において、膜中を透過した酸素と水素の量からガス透過係数(P)を求めた。水素と酸素のキャリアーガスとしてそれぞれアルゴンとヘリウムを用いた。
測定条件は以下の通りである。
測定温度:80℃
測定湿度:0-90% RH
水素ガス供給量:30ml min-1
酸素ガス供給量:30ml min-1
結果を図10に示す。
Using a GTR-20XFMD (GTR Tech) apparatus, a flow type gas / water vapor permeability measuring device with a gas chromatograph G2700T (manufactured by Yanaco) installed in a cell with a sample film molded into a 3.5 x 3.5 cm square Measurements were made. Oxygen and hydrogen gas were supplied at a rate of 30 ml min −1 , and the gas permeability coefficient (P) was determined from the amount of oxygen and hydrogen permeated through the membrane at 80 ° C. and relative humidity of 0 to 90%. Argon and helium were used as carrier gases for hydrogen and oxygen, respectively.
The measurement conditions are as follows.
Measurement temperature: 80 ℃
Measurement humidity: 0-90% RH
Hydrogen gas supply amount: 30ml min -1
Oxygen gas supply: 30ml min -1
The results are shown in FIG.

また、実施例4で得られたランダム共重合体およびNafion 112(デュポン社製)についても、上記に準じた方法で膜の作製およびガス透過性を評価した。結果を図11に示す。   In addition, with respect to the random copolymer obtained in Example 4 and Nafion 112 (manufactured by DuPont), the production of the membrane and gas permeability were evaluated by methods similar to the above. The results are shown in FIG.

図10および図11より、実施例1〜4で得られた高分子電解質は、いずれも、ガス透過性に優れていた。また、図11より、実施例4で得られた高分子電解質では、Nafion 112をも上回る高いガス透過性を示した。
よって、各実施例で得られた高分子電解質は、いずれも、たとえば燃料電池の触媒電極用のアイオノマーとして好適に用いることができる。
10 and 11, all of the polymer electrolytes obtained in Examples 1 to 4 were excellent in gas permeability. Moreover, from FIG. 11, the polymer electrolyte obtained in Example 4 showed high gas permeability exceeding Nafion 112.
Therefore, any of the polymer electrolytes obtained in each example can be suitably used as, for example, an ionomer for a catalyst electrode of a fuel cell.

(発電特性の評価)
以下の手順でMEAを作製し、その発電特性を評価した。
触媒電極のアイオノマーとして、各実施例で得られた高分子電解質またはナフィオンを用い、以下の手順でMEAを作製した。触媒電極作製時の触媒およびアイオノマーの配合および用いた溶媒を表14に示す。
(Evaluation of power generation characteristics)
An MEA was produced according to the following procedure, and its power generation characteristics were evaluated.
Using the polymer electrolyte or Nafion obtained in each Example as the ionomer of the catalyst electrode, an MEA was produced by the following procedure. Table 14 shows the composition of the catalyst and ionomer used in the preparation of the catalyst electrode and the solvent used.

Figure 0006278507
Figure 0006278507

表14に示した原料を用いて、アイオノマー溶液が5質量%となるように触媒インクを調製した。溶媒は単一溶媒またはアルコールに5質量%の水を加えた混合溶媒とした。また、MEA中の、アイオノマー材料および白金の量は、いずれも1.0 mg cm-2程度とした。
白金担持カーボン(Pt/C、田中貴金属社製)をサンプル瓶に測りとり、水をわずかに加えた。スターラーを用いて50℃で2分間撹拌、1分間脱泡することにより触媒を水に十分になじませた。次にアイオノマー溶液をサンプル瓶に滴下し、先程と同様にスターラーを用いて3時間撹拌することにより触媒インクを作成した。作成した触媒インクをミクロスパーテルでカーボンペーパー(SGLカーボン社製)に塗布し、ヒートスターラーで乾燥した。その後、カーボンペーパーを80℃で3時間減圧乾燥し、10分間、130℃ 、100 kgcm-2でKaptonとステンレス板で挟み、ホットプレスすることにより表面処理をした。
次に、電解質膜(Nafion211膜)を得られた触媒電極の触媒塗布面で挟み込むようにして、10分間、130℃、100 kgcm-2でKaptonとステンレス板で挟み、ホットプレスした。
Using the raw materials shown in Table 14, a catalyst ink was prepared so that the ionomer solution was 5% by mass. The solvent was a single solvent or a mixed solvent in which 5% by mass of water was added to alcohol. The amounts of ionomer material and platinum in the MEA were both about 1.0 mg cm −2 .
Platinum-supported carbon (Pt / C, Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.) was weighed into a sample bottle and water was added slightly. The mixture was stirred for 2 minutes at 50 ° C. using a stirrer and degassed for 1 minute to fully adjust the catalyst to water. Next, the ionomer solution was dropped into a sample bottle, and a catalyst ink was prepared by stirring for 3 hours using a stirrer as before. The prepared catalyst ink was applied to carbon paper (manufactured by SGL Carbon Co., Ltd.) with a microspatel and dried with a heat stirrer. Thereafter, the carbon paper was dried under reduced pressure at 80 ° C. for 3 hours, sandwiched between Kapton and a stainless steel plate at 130 ° C. and 100 kgcm −2 for 10 minutes, and subjected to surface treatment by hot pressing.
Next, the electrolyte membrane (Nafion 211 membrane) was sandwiched between Kapton and a stainless steel plate at 130 ° C. and 100 kgcm −2 for 10 minutes so as to be sandwiched between the catalyst-coated surfaces of the catalyst electrode and hot-pressed.

得られたMEAについて、FUEL CELL TEST SYSTEM SERIES 890B(東洋テクニカ社製)を用いて発生した電圧を測定し、燃料電池評価装置(型式PEM-8900-18、東洋テクニカ社製)を用いて以下の条件にて評価を行った。
測定条件
セル温度:80℃
アノード・カソード温度:80℃〜53℃(100%RH〜30%RH)
アノードガス:H2
アノードガス供給流量:0.5L min-1
カソードガス:合成空気(酸素20%含有)
カソードガス供給流量:1.0 L min-1
アノード・カソード供給ガス背圧:0.1 MPaG
About the obtained MEA, the voltage generated using FUEL CELL TEST SYSTEM SERIES 890B (manufactured by Toyo Technica) was measured, and the following was performed using a fuel cell evaluation device (model PEM-8900-18, manufactured by Toyo Technica) Evaluation was performed under conditions.
Measurement conditions Cell temperature: 80 ℃
Anode / cathode temperature: 80 ° C to 53 ° C (100% RH to 30% RH)
Anode gas: H 2
Anode gas supply flow rate: 0.5L min -1
Cathode gas: Synthetic air (containing 20% oxygen)
Cathode gas supply flow rate: 1.0 L min -1
Anode / cathode supply gas back pressure: 0.1 MPaG

図12〜図14は、それぞれ、触媒電極のアイオノマーとして実施例1で得られたS-PEtBP、実施例2で得られたS-PBuBPおよび実施例3で得られたS-PrPBPの結果を示す図である。また、図15は、実施例4で得られたSPr-r-Hの結果を示す図である。
また、図16は、触媒電極のアイオノマーとして実施例1〜3で得られた高分子電解質およびNafionを用いたMEAの80℃における出力密度の湿度依存性を示す図である。
12 to 14 show the results of S-PEtBP obtained in Example 1, S-PBuBP obtained in Example 2, and S-PrPBP obtained in Example 3 as ionomers of catalyst electrodes, respectively. FIG. FIG. 15 is a diagram showing the results of SPr-rH obtained in Example 4.
FIG. 16 is a diagram showing the humidity dependence of the output density at 80 ° C. of MEA using the polymer electrolyte obtained in Examples 1 to 3 and Nafion as the ionomer of the catalyst electrode.

図12〜図15より、実施例1〜4で得られた高分子電解質を触媒電極のアイオノマーとして用いたMEAは、セル電圧、出力密度およびセル抵抗の特性のバランスに優れているとともに、低湿度の条件における特性低下が効果的に抑制されていた。
また、図16より、実施例1〜3のアイオノマーを用いることにより、低湿度の条件において、ナフィオンを上回る優れた出力特性が得られることがわかる。
From FIG. 12 to FIG. 15, MEA using the polymer electrolyte obtained in Examples 1 to 4 as the ionomer of the catalyst electrode has an excellent balance of cell voltage, power density and cell resistance characteristics, and has low humidity. The characteristic deterioration under the above conditions was effectively suppressed.
Moreover, it can be seen from FIG. 16 that by using the ionomers of Examples 1 to 3, excellent output characteristics superior to Nafion can be obtained under low humidity conditions.

100 燃料電池
101 拡散層
103 触媒層
105 燃料極
107 固体電解質膜
109 触媒層
111 拡散層
113 酸化剤極
115 膜−電解質接合体
117 セパレータ
119 セパレータ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Fuel cell 101 Diffusion layer 103 Catalyst layer 105 Fuel electrode 107 Solid electrolyte membrane 109 Catalyst layer 111 Diffusion layer 113 Oxidant electrode 115 Membrane-electrolyte assembly 117 Separator 119 Separator

Claims (4)

下記一般式(2)または(3)に示す構造を有する、燃料電池用高分子電解質。
Figure 0006278507
(上記一般式(2)中、R31は、炭素数2以上6以下のアルキレン基であり、mは、10以上の正の数である。)
Figure 0006278507
(上記一般式(3)中、R32は、炭素数2以上6以下のアルキル基であり、mは、前記一般式(2)におけるmに同じである。)
A polymer electrolyte for a fuel cell having a structure represented by the following general formula (2) or (3).
Figure 0006278507
(In the general formula (2), R 31 is an alkylene group having 2 to 6 carbon atoms, and m is a positive number of 10 or more.)
Figure 0006278507
(In the general formula (3), R 32 is an alkyl group having 2 to 6 carbon atoms, and m is the same as m in the general formula (2).)
下記一般式(4)に示す構造を有する、燃料電池用高分子電解質。
Figure 0006278507
(上記一般式(4)中、R2は、独立して、炭素数2以上6以下のアルキル基またはアルコキシ基であり、R5は、−R51−C64−基または炭素数2以上6以下のアルキレン基であり、R51は、炭素数2以上6以下のアルキレン基であり、mは、10以上の正の数であり、nは、正の数であり、m個のユニット(A)およびn個のユニット(B)が共重合している。ただし、上記一般式(4)において、R5が炭素数4のアルキレン基であり、かつ、R2が炭素数4のアルコキシ基であるものを除く。))
A polymer electrolyte for fuel cells having a structure represented by the following general formula (4).
Figure 0006278507
(In the above general formula (4), R 2 is independently an alkyl group or alkoxy group having 2 to 6 carbon atoms, and R 5 is an —R 51 —C 6 H 4 — group or 2 carbon atoms. An alkylene group having 6 or less and R 51 is an alkylene group having 2 to 6 carbon atoms, m is a positive number of 10 or more, n is a positive number, and m units (A) and n units (B) are copolymerized, provided that, in the above general formula (4), R 5 is an alkylene group having 4 carbon atoms, and R 2 is an alkoxy having 4 carbon atoms. Excluding what is the base.))
請求項1または2に記載の燃料電池用高分子電解質を含む、燃料電池用触媒電極。   A fuel cell catalyst electrode comprising the fuel cell polymer electrolyte according to claim 1. 請求項3に記載の燃料電池用触媒電極を含む、燃料電池。   A fuel cell comprising the fuel cell catalyst electrode according to claim 3.
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