JP6430365B2 - シリルオキシ基を有するイオン化合物 - Google Patents

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Description

関連出願
本出願は、2012年4月5日に出願されたカナダ特許出願第CA2776178号の米国特許法第119条(e)に基づく優先権の利益を主張する。上記全文は、参照することにより本明細書中に組み入れられるものとする。
技術分野
本発明は、一般に、イオン化合物およびイオン液体に関する。より詳細には、本発明は、電気化学セルに使用できるシリルオキシ基を有するイオン液体に関する。
リチウムイオン電池、エレクトロクロミック素子およびキャパシタのような現代の電気化学製品中の電解質は、テトラフルオロホウ酸リチウム。ヘキサフルオロリン酸リチウム、ビスオキサラトホウ酸リチウム、リチウムトリフラート、リチウムビストリフリルアミドなどの導電性リチウム塩を含有する様々な有機溶媒から作られる。このような有機溶媒(炭酸アルキル、アセトニトリル、N−メチル−2−ピロリドン、γ−ブチロラクトンなど多数)は、重大な欠点を有する。それらは、実際、発火し、最悪の場合、電化製品が過熱して破裂や火事の原因となり得る。
例えば、米国特許第6,365,301号および同第6,365,068号、米国特許出願第2008/0266642号および同第2009/0045373号、ならびに国際公開第WO2009/013046号に記載のように、溶媒として、イオン液体(IL)を使用することにより、この有機溶媒の欠点を回避する試みがなされてきた。
しかしながら、現在あるイオン液体では、電気化学製品、特に、高出力のリチウム電池またはリチウムイオン電池の製造に関連する全ての問題を解決していない。電池の中には、数個の電極材料が使用されているので、これらの材料と一緒に使用する溶媒または電極は、高熱安定性、高電気化学安定性および高化学安定性を示すことが望ましい。
ピペリジニウム、モルホリニウム、ピロリジニウムおよびアゼパニウムのような環式類似化合物を含むテトラアルキルアンモニウム塩類は、最も広い電気化学窓を有する。(非特許文献1)電子用途に最もよく使用されるイオン液体は、BF およびPF (非特許文献2)に近い酸化安定性を有し、最も広範囲の液体領域を示すビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミドアニオン(TFSAまたはTFSI)を含むものである。
これらのイオン液体は低粘度および高導電率を有するので、1−エチル−3−メチルイミダゾリウム(EMI)を基剤としたイオン液体中の黒鉛アノードへのリチウムの電気化学的インターカレーションは、関心を高めた。しかしながら、これらのイオン液体は、狭い電気化学窓(約4.2V)を有する。イミダゾリウムカチオンは、炭素電極がリチウム電極基準(vs.Li/Li+)0.7Vに分極する時、電極/電解質界面で還元される傾向がある。カチオンの高分解反応は、LiC化合物の生成を妨げる。しかしながら、溶媒の添加は、イオン液体成分との望ましくない不可逆反応に対して、炭素負極およびイオン液体相間界面を安定化し保護し得る。N.Koura、および共同研究者らは、SOClを含有するLiCl−EMICI−AlClイオン電解質中のLiC化合物の生成を示した。(非特許文献3)満足のいく結果が、様々な炭素質材料で得られた。Holzapfelらは、添加剤として5重量%の炭酸ビニレン(VC)を含有する1−エチル−3−メチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(EMI−TFSI)中のLiPF6の1M溶液中の人造黒鉛へのリチウムのインターカレーションを発表した。(非特許文献4)
しかしながら、多くの試みにもかかわらず、添加剤なしで周囲温度において黒鉛化負極の可逆的充放電を提供する純粋イオン液体は、いまだ報告されていない。リチウムイオン電池へのイミダゾリウム誘導体の実応用は、困難である。これらのイオン液体を使用するリチウムイオン電池は、比較的小さい電圧を被る。リチウムイオン電池の低電位アノード材料として使用される黒鉛材料は、不飽和イオン液体、特に、イミダゾリウムおよびピリジニウムを基剤とするイオン液体の還元そして分解の原因となり得る。いくつかの場合、イオン液体のカチオンのインターカレーションは、黒鉛層剥離の原因となる
最近、リチウム二次電池用にビス(フルオロスルホニル)イミド(FSI)を基剤とするイオン液体電解質がいくつか報告されている。特に、リチウムイオンを含有するビス(フルオロスルホニル)イミド基剤の電解質は、実用的な導電性能を示し、リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(LiTFSI)を含有するビス(フルオロスルホニル)イミド基剤の電解質を用いた天然黒鉛/Li電池は、1−エチル−3−メチルイミダゾリウム(EMIm)ビス(フルオロスルホニル)イミドおよび1−エチル−3−メチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(非特許文献5)を使用して、アニオンとしてビス(フルオロスルホニル)イミド(FSI)基剤のイオン液体(非特許文献6)、ならびにカチオンとして1−エチル−3−メチルイミダゾリウム(EMI)およびN−メチル−N−プロピルピロリジニウム(Py13)を使用して、溶媒なしでサイクル性能を示した。更に、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドアニオンを用いたイオン液体は、非常に低い容量しか達成できなかったので、黒鉛電極で単独では使用され得ないことが観察されている。電解質中のリチウムビス(フルオロスルホニル)アミド(FSI)のような安定化剤の使用およびフルオロスルホニルトリフルオロメタンスルホニルアミド(FTFSI)を含有するイオン液体の合成が提案された(非特許文献7)が、これらの溶液は、リチウムビス(フルオロスルホニル)アミドの高原価および複雑な合成方法のために、経済的に実行可能なものではない。
2−ヒドロキシエチル基を有するコリン様化合物は、深共晶混合物を形成できるが、不安定な酸性ヒドロキシル基が存在するため、高動作電圧を有する電気化学製品の使用には適さない。しかしながら、コリン様化合物のヒドロキシル基のメチル化により、それらの安定性を改善し得る。
様々なオリゴエチレングリコールの安定性改良は、トリメチルシリル基などの種々のシロキシ基による末端ヒドロキシル基保護によって達成された。(非特許文献8)シリル化コリン化合物の合成は、開示されている。(非特許文献9)
特開2010−095473A号公報には、トリアルキルシリル部分を含有するイオン化合物および低表面エネルギー重合体(ポリテトラフルオロエチレン)用帯電防止剤としてのそれらの使用が開示されている。該合成帯電防止剤は、室温でほとんど固体であった。
米国特許第6,365,301号明細書 米国特許第6,365,068号明細書 米国特許出願公開第2008/0266642号明細書 米国特許出願公開第2009/0045373号明細書 国際公開第2009/013046号 特開2010−095473号公報
Wasserscheid, P. and T. Welton, Eds. (2008). Ionic liquids in synthesis Weinheim, Wiley−VCH, pp. Ue, M.; Murakami, A.; Omata, K.; Nakamura, S., On the Anodic Stability of Organic Liquid Electrolytes. Book of Abstracts of 41st Battery Symposium in Japan 2000,292−293. N. Koura, et al. Chem Lett, 12 (2001 ), pp. 1320−1321 and Abs. 360, IMLB meeting, The Electrochemical Society, Inc: Nara, Japan; 2004. Holzapfel et al. Chem Commun, 4 (2004), pp. 2098−2099 and Carbon, 43 (2005), pp. 1488−1498. Journal of Power Sources 162 (2006) 658−662] using 1 −ethyl−3−methylimidazolium (EMIm)−FSI and EMIm−TFSIc. Journal of Power Sources 175 (2008) 866−873. Matsumoto, Japan battery symposia book of abstracts 2011. Zhang, Z.; Dong, J.; West, R.; Amine, K., Oligo(ethylene glycol)−functionalized disiloxanes as electrolytes for lithium−ion batteries. Journal of Power Sources 2010, 195 (18), 6062−6068. Lukevics, E.; Liberts, L.; Voronkov, M. G., Organosilicon Derivatives of Aminoalcohols. Russian Chemical Reviews 1970, 39 (1 1), 953−963.
従って、電解質および電気化学セルに使用される新規なイオン化合物またはイオン液体が必要とされている。
本発明に従えば、
1.アニオンおよびカチオンを含むイオン化合物であって、前記イオン化合物が少なくとも1つのシリルオキシ基を結合しているイオン化合物。
2.イオン液体である第1項に記載のイオン化合物。
3.1つのシリルオキシ基を結合している、第1項または第2項に記載のイオン化合物。
4.式(I):

[式中、
CATは、前記カチオンであり、前記カチオンは、窒素、リンまたは硫黄である単一正帯電原子を含み;
R、RおよびRは、独立して、C〜Cアルキル基、アルケニル基またはアルキニル基であり;
Lは、リンカーであり、そして
ANIは、前記アニオンである]
である第3項に記載のイオン化合物。
5.前記正帯電した原子が窒素である、第4項に記載のイオン化合物。
6.R、RおよびRは、独立して、C〜Cアルキル基またはアルケニル基である、第4項または第5項に記載のイオン化合物。
7.R、RおよびRは、独立して、C〜Cアルキル基またはアルケニル基である、第6項に記載のイオン化合物。
8.R、RおよびRは、独立して、C〜Cアルキル基である、第7項に記載のイオン化合物。
9.R、RおよびRは、独立して、C〜Cアルキル基である、第8項に記載のイオン化合物。
10.R、RおよびRは、各々、メチルである、第9項に記載のイオン化合物。
11.LがC〜C12アルキレン基、アルケニレン基、またはアルキニレン基であり、1つ以上のエーテル官能基を含んでいてもよく、および1つ以上のハロゲン原子で置換されていてもよい、第1〜10項のいずれか1項に記載のイオン化合物。
12.Lが、これが結合している酸素原子と一緒になって、1つ以上のアルキレンオキシ基、アルケニレンオキシ基、またはアルキニレンオキシ基を形成する、第11項に記載のイオン化合物。
13.Lが、これが結合している酸素原子と一緒になって、1つ以上のアルキレンオキシ基を形成する、第12項に記載のイオン化合物。
14.Lが、これが結合している酸素原子と一緒になって、1つ以上のエチレンオキシ基を形成する、第13項に記載のイオン化合物。
15.Lが、これが結合している酸素原子と一緒になって、1つまたは2つのエチレンオキシ基を形成する、第14項に記載のイオン化合物。
16.LがC〜C12アルキレン基である、第11項に記載のイオン化合物。
17.LがC〜Cアルキレン基である、第16項に記載のイオン化合物。
18.LがCアルキレン基である、第17項に記載のイオン化合物。
19.Lが−CH−CH−である、第18項に記載のイオン化合物。
20.前記カチオンが、式(IIa)、(IIb)または(IIc):

[式中、R、RおよびRは、独立して、C〜C16アルキル基、アルケニル基またはアルキニル基である]
である第1〜19項のいずれか1項に記載のイオン化合物。
21.前記カチオンが、式(IIa)である、第20項に記載のイオン化合物。
22.R、RおよびRが、独立して、C〜Cアルキル基またはアルケニル基である、第20項または第21項に記載のイオン化合物。
23.R、RおよびRが、独立して、C〜Cアルキル基である、第22項に記載のイオン化合物。
24.R、RおよびRが、独立して、C〜Cアルキル基である、第23項に記載のイオン化合物。
25.R、RおよびRが各々、−CHである、第24項に記載のイオン化合物。
26.R、RおよびRが各々、−CHCHである、第24項に記載のイオン化合物。
27.RおよびRが各々、−CHであり、Rが、−CHCHである、第24項に記載のイオン化合物。
28.Rが、−CHであり、RおよびRが各々、−CHCHである、第24項に記載のイオン化合物。
29.前記カチオンが、式(IIIa)、(IIIb)または(IIIc):

[式中、
Xは、CATがアゼチジニウム型、ピロリジニウム型、ピラゾリジニウム型、イミダゾリジニウム型、ピペリジニウム型、アゼパニウム型、モルホリニウム型、イソモルホリニウム型、ピペラジニウム型、ヘキサヒドロピリミジニウム型、またはヘキサヒドロピリダジニウム型のカチオンであるように、1つ以上の−CH−、−O−、および−N(CH)−の組み合わせであり、そして
は、C〜C16アルキル基、アルケニル基またはアルキニル基である]
である第1〜19項に記載のイオン化合物。
30.CATが、式(IIIa)である、第29項に記載のイオン化合物。
31.Xが−CHCHCHCH−である、第29項または第30項に記載のイオン化合物。
32.Rが、C〜Cアルキル基またはアルケニル基である、第29〜31項のいずれか1項に記載のイオン化合物。
33.Rが、C〜Cアルキル基である、第32項に記載のイオン化合物。
34.Rが、−CHである、第33項に記載のイオン化合物。
35.前記カチオンが、式(IVa)、(IVb)または(IVc):
[式中、
Zは、CATがアゼチニウム型、3,4−ジヒドロ−2H−ピロリウム型、ピリジニウム型、アゼピニウム型、ピリミジニウム型、ピペラジニウム型、イミダゾリウム型、ピラゾリウム型、オキサジニウム型、またはトリアゾリウム型のカチオンであるように、1つ以上の−CH−、−CH=、−O−、−N(アルキル)−および−N=の組み合わせであり、そして
は、水素またはアルキルである]
である第1〜19項に記載のイオン化合物。
36.Zが、−N(アルキル)−CH=CH−である、第35項に記載のイオン化合物。
37.Zが、−N(CH)−CH=CH−である、第36項に記載のイオン化合物。
38.Rが水素である、第35〜37項のいずれか1項に記載のイオン化合物。
39.Rが−CHである、第35〜37項のいずれか1項に記載のイオン化合物。
40.前記アニオンが:
ハロゲン化物、
過塩素酸、
ヘキサフルオロリン酸、
トリス(ペンタフルオロエチル)トリフルオロリン酸、
テトラフルオロホウ酸、
トリフルオロメチルトリフルオロホウ酸、
ペンタフルオロエチルトリフルオロホウ酸、
ヘプタフルオロプロピルトリフルオロホウ酸、
ノナフルオロブチルトリフルオロホウ酸、
トリフルオロメタンスルホン酸、
トリフルオロ酢酸、
ビス(フルオロスルホニル)アミド、または
式(V)のスホニルアミド:
A−N−SO−B (V)
[式中、Aは、F−SO−、CF−SO−、C−SO−、C−SO−、C−SO−、またはCF−C(=O)−;そしてBは、−F、−CF、−C、−C、−Cである]
である、第1〜39項のいずれか1項に記載のイオン化合物。
41.前記式(V)のスルホニルアミドが:
ビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド、
ビス(ペンタフルオロエチルスルホニル)アミド、
ビス(ヘプタフルオロプロピルスルホニル)アミド、
ビス(ノナフルオロブチルスルホニル)アミド、
N−トリフルオロアセチルフルオロスルホニルアミド、
N−トリフルオロアセチルトリフルオロメタンスルホニルアミド、
N−トリフルオロアセチルペンタフルオロエチルスルホニルアミド、
N−トリフルオロアセチルヘプタフルオロプロピルスルホニルアミド、
N−トリフルオロアセチルノナフルオロブチルスルホニルアミド、
N−フルオロスルホニルトリフルオロメタンスルホニルアミド、
N−フルオロスルホニルペンタフルオロエチルスルホニルアミド、
N−フルオロスルホニルヘプタフルオロプロピルスルホニルアミド、
N−フルオロスルホニルノナフルオロブチルスルホニルアミド、
N−トリフルオロメタンスルホニルペンタフルオロエチルスルホニルアミド、
N−トリフルオロメタンスルホニルヘプタフルオロプロピルスルホニルアミド、または
N−トリフルオロメタンスルホニルノナフルオロブチルスルホニルアミド
である、第43項に記載のイオン化合物。
42.前記アニオンが、塩化物、ビス(フルオロスルホニル)アミド、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド、またはN−フルオロスルホニルトリフルオロメタンスルホニルアミドである、第40項または第41項に記載のイオン化合物。
43.前記アニオンが、ビス(フルオロスルホニル)アミド、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド、またはN−フルオロスルホニルトリフルオロメタンスルホニルアミドである、第42項に記載のイオン化合物。
44.前記アニオンが、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミドである、第43項に記載のイオン化合物。
45.1つの単一帯電カチオンおよび1つの単一アニオンを含み、前記イオン化合物が、イオン液体であり、式:

[式中、
CATは、単一正帯電窒素原子を含む前記カチオンであり、前記カチオンが式(IIa):

(式中、R、RおよびRは、独立して、C〜Cアルキル基であり;
R、RおよびRは、独立して、C〜Cアルキル基である)であり、
Lは、リンカーであり、それが結合している酸素原子と一緒になって、1つまたは2つのエチレンオキシ基を形成するリンカーであり;そして
ANIは、前記アニオンであり、式(V):
A−N−SO−B (V)
(式中、Aは、F−SO−、CF−SO−、C−SO−、C−SO−、C−SO−であり;そしてBは、−F、−CF、−C、−C、−Cである)である]
である、第1項に記載のイオン化合物。
46.R、RおよびRが、独立して、C〜Cアルキル基である、第45項に記載のイオン化合物。
47.R、RおよびRは、独立して、C〜Cアルキル基である、45項または第46項に記載のイオン化合物。
48.前記アニオンが、ビス(フルオロスルホニル)アミド、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド、またはN−フルオロスルホニルトリフルオロメタンスルホニルアミドである、第48項〜47項に記載のイオン化合物。
49.
















または

である、第1項に記載のイオン化合物。
50.









または

である、第1項に記載のイオン化合物。
51.少なくとも1つの第1〜50項のいずれか1項に定義されたイオン化合物および電導性塩を含む電解質。
52.有機溶媒をさらに含む、第51項に記載の電解質。
53.前記有機溶媒が極性有機溶媒である、第52項に記載の電解質。
54.不飽和炭酸塩をさらに含む、第51〜53項のいずれか1項に記載の電解質。
55.アノード、カソード、および第51〜54項のいずれか1項に記載の電解質を含む電気化学セル。
56.電池、キャパシタまたはエレクトロクロミック素子などの電気化学系の部分である、第55項に記載の電気化学セル。
が提供される。
添付図:
N1112−OTMS−TFSIのサイクリックボルタンメトリーを示す。 N1122−OTMS−TFSIのサイクリックボルタンメトリーを示す。 N1122−OTMS−TFSI+LiTFSIのサイクリックボルタンメトリーを示す。 N1122−OTMS−TFSI基剤電解質におけるLiFePOのLi金属基準充放電曲線を示す。 N1122−OTMS−TFSI基剤電解質における黒鉛のLi金属基準充放電曲線を示す。 N1132−OTMS−TFSIのサイクリックボルタンメトリーを示す。 N1132−OTMS−TFSI+LiTFSIのサイクリックボルタンメトリーを示す。 N1132−OTMS−TFSI基剤電解質におけるLiFePOのLi金属基準充放電曲線を示す。 N2222−OTMS−TFSIのサイクリックボルタンメトリーを示す。 N2222−OTMS−TFSI+LiTFSIのサイクリックボルタンメトリーを示す。 N1222−OTMS−TFSIのサイクリックボルタンメトリーを示す。 N1222−OTMS−TFSI+LiTFSIのサイクリックボルタンメトリーを示す。 N1222−OTMS−TFSI基剤電解質における黒鉛のLi金属基準充放電曲線を示す。 N1122−OTMS−TFSI基剤電解質におけるSiOのLi金属基準充放電曲線を示す。 種々の温度におけるイオン化合物の粘度を示す。 種々の温度におけるイオン化合物の電導率を示す。 N1122−OEDMS−TFSIのサイクリックボルタンメトリーを示す。 N1122−OTES−TFSIのサイクリックボルタンメトリーを示す。 N1122−OTMS−FTFSIのサイクリックボルタンメトリーを示す。 N1122−OTMS−FSIのサイクリックボルタンメトリーを示す。 N1123−OTMS−TFSIのサイクリックボルタンメトリーを示す。 N1124−OTMS−TFSIのサイクリックボルタンメトリーを示す。 N1126−OTMS−TFSIのサイクリックボルタンメトリーを示す。 N1122O2−OTMS−TFSIのサイクリックボルタンメトリーを示す。 Im12−OTMS−TFSIのサイクリックボルタンメトリーを示す。 N1124−OTMS−TFSI基剤電解質における黒鉛のLi金属基準充放電曲線を示す。 N1122O2−OTMS−TFSI基剤電解質における黒鉛のLi金属基準充放電曲線を示す。 N1122O1−TFSI基剤電解質における黒鉛のLi金属基準充放電曲線(シリルオキシ基を有する比較例)を示す。
イオン化合物

本発明の実施形態について説明すると、少なくとも1つのシリルオキシ基を結合しているイオン化合物が提供される。実施形態では、イオン化合物は、1つのそのシリルオキシ基を含むイオン化合物である。
本明細書で、「イオン化合物」とは、反対の静電荷に帯電し、固体状態では、イオン結合、すなわち、反対に帯電したイオン間の静電引力を介して形成される化学結合タイプにより結合される少なくとも2つの別々の分子または原子を含有する化学物質をいう。イオン化合物中では、静電荷の合計は0に等しい。これらのイオン化合物では、正帯電分子または原子は、カチオンと呼び、負帯電分子または原子は、アニオンと呼ぶ。各々カチオンおよびアニオンは、少なくとも1価の静電荷に帯電しているが、多価電荷であってもよい。結果として、イオン化合物は、1個以上のカチオンおよび/または1個以上のアニオンを含み得る。溶解または溶融するとき、イオン化合物は、自由に動き得るカチオンおよびアニオンに解離して、その結果が、このような溶液または融液の電導性能である。
本明細書で、「シリルオキシ」基とは、一般式(R’)(R’’)(R’’’)Si−O−の任意の1価ラジカルをいう。実施形態では、シリルオキシ基は、トリアルキルシリルオキシ基(すなわち、R’、R’’およびR’’’が全てアルキル基である上式の化合物)である。
本発明のイオン化合物は、イオン液体(IL)である。本明細書で、「イオン液体」とは、低温で溶融状態であるイオン化合物をいう。従って、イオン液体は、低融点、例えば、100℃以下、好ましくは、75℃以下、より好ましくは50℃以下、更により好ましくは25℃以下、最も好ましくは室温以下の融点を有するべきである。従って、実施形態では、本発明のイオン化合物は、100℃以下の温度、例えば室温で溶融状態である。
イオン液体には、既知の種類が多くある。本発明のイオン化合物は、少なくとも1つのシリルオキシ基が結合し、当技術分野で周知の任意のイオン液体であり得る。また、これらのイオン液体の任意の誘導体でもあり得る。イオン液体の誘導体の制限されない例としては、置換基または側鎖を有するカチオンが挙げられる。側鎖としては、アルキル鎖、アルコキシ鎖、およびアルコキシアルキル鎖が挙げられ得る。
シリルオキシ基を挿入することにより、有利な熱安定性、電気化学安定性および/または化学安定性を有するイオン液体を生産できるようになる。これにより、リチウムイオン電池を含む電池、エレクトロクロミック素子、およびキャパシタなど多くの応用で使用できるようになる。更に、下記実施例に示したように、本発明の多くのイオン液体は、かなり広い電気化学窓および/または良好な酸化安定性および/または良好な還元安定性および/または、黒鉛電極を含む電極との良好な互換性を有する。実施形態では、本発明のイオン化合物を含有する電解質で、特に、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド(TFSI)アニオンまたはビス(フルオロスルホニル)アミド(FSI)アニオンを含有するものは、リチウムイオン電池に使用されるものなど黒鉛電極との良好な互換性を有する。実施形態では、これらは、イオン化合物の還元分解があってもなくても、電極の黒鉛粒子の周囲に十分な保護層を形成して、周囲温度で黒鉛化負極の可逆的充放電を提供し得る。
実施形態では、イオン化合物は、1つのアニオンおよび1つのアニオンのみを含む。より詳細な実施形態では、該イオン化合物は、1つの単一帯電アニオンおよび1つの単一帯電アニオンのみを含む。
本発明のイオン化合物またはイオン液体の実施形態では、シリルオキシ基は、イオン液体のカチオンに共有結合で結合される。より詳細には、シリルオキシ基は、リンカーを介して結合され得る。
実施形態で、イオン化合物は、式(I):

[式中、
CATは、窒素、リンまたは硫黄、好ましくは窒素である正帯電した単一原子を含むカチオンであり;
R、RおよびRは、独立して、C〜Cアルキル基、アルケニル基またはアルキニル基であり、好ましくは、C〜Cアルキル基またはアルケニル基、より好ましくは、C〜Cアルキル基またはアルケニル基、更により好ましくは、C〜Cアルキル基、もっと更により好ましくはC〜Cアルキル基、最も好ましくは、メチル基であり;
Lは、リンカーであり、そして
ANIは、単一帯電アニオンである]
である。
実施形態では、Lは、1つ以上のエーテル官能基を含んでもよく、1つ以上のハロゲン原子で置換されていてもよいC−C12アルキレン基、アルケニレン基、またはアルキニレン基である。更に実施形態では、Lは、C−C12アルキレン基、好ましくは、C−Cアルキレン基、より好ましくは、C−Cアルキレン基、更により好ましくは、CまたはCアルキレン基、最も好ましくは、−CH−CH−である。
実施形態では、Lは、それが結合している酸素原子(すなわち、シリルオキシ基の酸素原子)と一緒になって、1つ以上のアルキレンオキシ基、アルケニレンオキシ基、またはアルキニレンオキシ基、好ましくは、1つ以上のアルキレンオキシ基、より好ましくは、1つ以上のエチレンオキシ基(1、2、3、4、5、または6個のその基など)および更により好ましくは、1つまたは2つのエチレンオキシ基を形成する。確かに、1つより多いそのような基があるとき、これらの基は、鎖中に互いに結合していると理解される。例えば、「2つのプロピレンオキシ基」は、式−CHCHCH−O−CHCHCH −O−の部分であり、下線の酸素原子はシリルオキシ基に属する。
上記実施形態のいくつかは、重複していることに注意されたい。例えば、Lが−CH−CH−であるイオン化合物は、Lが、それが結合している酸素原子と一緒になって、1つのエチレンオキシ基を形成するイオン化合物と同じ化合物である。
実施形態では、イオン化合物のカチオン(上記式(I)のCATで表示)は、式(IIa)、式(IIb)、または式(IIc)であり、好ましくは、式(IIa)である:
式中、R、RおよびRが、独立してC〜C16アルキル基、アルケニル基、またはアルキニル基、好ましくは、C〜Cアルキル基またはアルケニル基、より好ましくは、C〜Cアルキル基、および更により好ましくは、C〜Cアルキル基である。最も好ましくは、R、RおよびRの0、1、2または3個全てが、メチル基(−CH)であり、それらの残りがエチル基(−CHCH)である。
実施形態では、該カチオンは、式(IIIa)、式(IIIb)、または式(IIIc)であり、好ましくは、式(IIIa)である:
式中、Rが、C〜C16アルキル基、アルケニル基、またはアルキニル基、好ましくは、C〜Cアルキル基またはアルケニル基、より好ましくは、C〜Cアルキル基、および最も好ましくは、メチル基であり;そして
Xは、CATが、アゼチジニウム型、ピロリジニウム型、ピラゾリジニウム型、イミダゾリジニウム型、ピペリジニウム型、アゼパニウム型、モルホリニウム型、イソモルホリニウム型、ピペラジニウム型、ヘキサヒドロピリミジニウム型、およびヘキサヒドロピリダジニウム型のカチオンであるように、1つ以上の−CH−、−O−、および−N(アルキル)−の組み合わせである。
実施形態では、−N(アルキル)−の該アルキル基は、C1−6アルキル基、好ましくはC1−6アルキル基、より好ましくは、メチル基である。−N(CH)−であるときの実施形態では、−N(CH)−は、通常、それらの融点および粘度に関して有利である。
本明細書で、アゼチジニウム型カチオンは、上記式(IIIa)で、式中、Xが、−CH−CH−CH−または言い換えれば、式:

であるカチオンである。Xが−CH−CH−CH−であるときの式(IIIb)および式(IIIc)のカチオンも、類推によって表している。
本明細書で、ピロリジニウム型カチオンは、上記式(IIIa)で、式中、Xが、−CH−C(=O)−CH−CH−もしくは等価な−CH−CH−C(=O)−CH−、または言い換えれば、式:

であるカチオンである。Xが−CH−C(=O)−CH−CH−であるときの式(IIIb)および式(IIIc)のカチオンも、類推によって表している。
本明細書で、ピラゾリジニウム型カチオンは、上記式(IIIa)で、式中、Xが、−N(アルキル)−CH−CH−CH−(もしくは等価な−CH−CH−CH−N(アルキル)−)、または言い換えれば、アルキルがメチルの時、式:

であるカチオンである。Xが−N(アルキル)−CH−CH−CH−であるときの式(IIIb)および式(IIIc)のカチオンも、類推によって表している。
本明細書で、イミダゾリジニウム型カチオンは、上記式(IIIa)で、式中、Xが、−CH−N(アルキル)−CH−CH−(もしくは等価な−CH−CH−N(アルキル)−CH−)、または言い換えれば、アルキルがメチルの時、式:

であるカチオンである。Xが−CH−N(アルキル)−CH−CH−であるときの式(IIIb)および式(IIIc)のカチオンも、類推によって表している。
本明細書で、ピペリジニウム型カチオンは、上記式(IIIa)で、式中、Xが、−CH−CH−CH−CH−CH−または言い換えれば、式:

であるカチオンである。Xが−CH−CH−CH−CH−CH−であるときの式(IIIb)および式(IIIc)のカチオンも、類推によって表している。
本明細書で、アゼパニウム型カチオンは、上記式(IIIa)で、式中、Xが、−CH−CH−CH−CH−CH−CH−または言い換えれば、式:

であるカチオンである。Xが−CH−CH−CH−CH−CH−CH−であるときの式(IIIb)および式(IIIc)のカチオンも、類推によって表している。
本明細書で、モルホリニウム型またはイソモルホリニウム型カチオンは、上記式(IIIa)で、式中、Xが、−CH−CH−O−CH−CH−もしくは−CH−O−CH−CH−CH−(もしくは等価な−CH−CH−CH−O−CH−)または言い換えれば、式:
であるカチオンである。Xが−CH−CH−O−CH−CH−または−CH−O−CH−CH−CH−であるときの式(IIIb)および式(IIIc)のカチオンも、類推によって表している。
本明細書で、ピペラジニウム型、ヘキサヒドロピリミジニウム型、およびヘキサヒドロピリダジニウム型のカチオンは、それぞれ、上記式(IIIa)で、式中、Xが、−CH−CH−N(アルキル)−CH−CH−、−CH−N(アルキル)−CH−CH−CH−(もしくは等価な−CH−CH−CH−N(アルキル)−CH)、およびN(アルキル)−CH−CH−CH−CH−(もしくは等価な−CH−CH−CH−CH−N(アルキル)−)、または言い換えれば、アルキルがメチルの時、それぞれ、式:
であるカチオンである。Xが−CH−CH−N(アルキル)−CH−CH−、−CH−N(アルキル)−CH−CH−CH−、またはN(アルキル)−CH−CH−CH−CH−であるときの式(IIIb)および式(IIIc)のカチオンも、類推によって表している。
より具体的な実施形態では、該カチオンは式(IIIa)であり、Xは−CH−CH−CHCH−である。言い換えれば、該カチオンは、式:

である。より具体的な実施形態では、この最後の式のRは、メチルである。
実施形態では、該カチオンは、式(IVa)、(IVb)、または(IVc)のイオン化合物のカチオンである:
式中、Zは、CATがアゼチニウム型、3,4−ジヒドロ−2H−ピロリウム型、ピリジニウム型、アゼピニウム型、ピリミジニウム型、ピラジニウム型、イミダゾリウム型、ピラゾリウム型、オキサジニウム型、またはトリアゾリウム(1,2,3または1,2,4)型のカチオンであるように、1つ以上の−CH−、−CH=、−O−、−N(アルキル)−および−N=の組み合わせであり、Rは、水素またはアルキル、好ましくは、水素またはC1−6アルキル、より好ましくは、水素またはメチル、最も好ましくは、水素である。
実施形態では、Zおよび/または式(IVb)で、アルキル基は、C1−6アルキル、好ましくは、C1−6アルキル、より好ましくは、メチルである。
本明細書で、アゼチニウム型カチオンは、上記式(IVa)のカチオンであり、式中、Zは、−CH=CH−、または言い換えれば、式:

のカチオンである。Rがアルキルである同様のカチオンも、類推によって表す。
本明細書で、3,4−ジヒドロ−2H−ピロリウム型カチオンは、上記式(IVa)のカチオンであり、式中、Zは、−CH−CH−CH−、または言い換えれば、式:

のカチオンである。Rがアルキルである同様のカチオンも、類推によって表す。
本明細書で、ピリジニウム型カチオンは、上記式(IVa)のカチオンであり、式中、Zは、−CH=CH−CH=CH−、または言い換えれば、式:

のカチオンである。Rがアルキルである同様のカチオンも、類推によって表す。
本明細書で、アゼピニウム型カチオンは、上記式(IVa)のカチオンであり、式中、Zは、−CH=CH−CH=CH−CH−、または言い換えれば、式:

のカチオンである。Rがアルキルである同様のカチオンも、類推によって表す。
本明細書で、ピリミジニウム型カチオンは、上記式(IVa)のカチオンであり、式中、Zは、−N=CH−CH=CH−、または言い換えれば、式:

のカチオンである。Rがアルキルである同様のカチオンも、類推によって表す。
本明細書で、ピラジニウム型カチオンは、上記式(IVa)のカチオンであり、式中、Zは、−CH=N−CH=CH−、または言い換えれば、式:

のカチオンである。Rがアルキルである同様のカチオンも、類推によって表す。
本明細書で、イミダゾリウム型カチオンは、上記式(IVa)のカチオンであり、式中、Zは、−N(アルキル)−CH=CH−、または言い換えれば、式:
のカチオンである。Rがアルキルである同様のカチオンも、類推によって表す。
本明細書でピラゾリウム型カチオンは、上記式(IVb)のカチオンであり、式中、Zは、−CH=CH−、または言い換えれば、式:
のカチオンである。Rがアルキルである同様のカチオンも、類推によって表す。
本明細書で、オキサジニウム型カチオンは、14個の既知のオキサジン異性体の任意の1つに基づいたカチオンである。これは、上記式(IVa)のカチオンであり、式中、Zは、−CH=CH−CH−O−、−CH−CH=CH−O−、=CH−CH−CH−O−、−O−CH−CH=CH−、−O−CH=CH−CH−、−CH=CH−O−CH−、=CH−CH−O−CH−、−CH−O−CH=CH−、および=CH−O−CH−CH−である。Rがアルキルである同様のカチオンも、類推によって表す。
本明細書で、1,2,4−トリアゾリウム型カチオンは、上式(IVa)のカチオンであり、式中、Zは、−N(アルキル)−N=CH−、または言い換えれば、式:
のカチオンである。Rがアルキルである同様のカチオンも、類推によって参照する。
本明細書で、1,2,3−トリアゾリウム型カチオンは、上記式(IVc)のカチオンであり、式中、Zは、−N(アルキル)−CH=CH−、または言い換えれば、式:
のカチオンである。
具体的な実施形態で、一般式(IVa)のZは、−N(アルキル)−CH=CH−であり、より具体的には、−N(CH)−CH=CH−であり、一方、Rは、HまたはCHである。言い換えれば、該カチオンは、式、

または

である。
実施形態では、イオン化合物のアニオン(上式(I)のANIとして示した)は、ハロゲン化物、過塩素酸、ヘキサフルオロリン酸、トリス(ペンタフルオロエチル)トリフルオロリン酸、テトラフルオロホウ酸、トリフルオロメチルトリフルオロホウ酸、ペンタフルオロエチルトリフルオロホウ酸、ヘプタフルオロプロピルトリフルオロホウ酸、ノナフルオロブチルトリフルオロホウ酸、トリフルオロメタンスルホン酸、トリフルオロ酢酸、または式(V)のスルホニルアミドである:
A−N−SO−B (V)
式中、Aは、F−SO−、CF−SO−、C−SO−、C−SO−、C−SO−、またはCF−C(=O)−;そしてBは、−F、−CF、−C、−C、−Cである。
式(V)のスルホニルアミドの例としては、ビス(フルオロスルホニル)アミド、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド、ビス(ペンタフルオロエチルスルホニル)アミド、ビス(ヘプタフルオロプロピルスルホニル)アミド、ビス(ノナフルオロブチルスルホニル)アミド、N−トリフルオロアセチル−フルオロスルホニルアミド、N−トリフルオロアセチル−トリフルオロメタンスルホニルアミド、N−トリフルオロアセチル−ペンタフルオロエチルスルホニルアミド、N−トリフルオロアセチル−ヘプタフルオロプロピルスルホニルアミド、N−トリフルオロアセチル−ノナフルオロブチルスルホニルアミド、N−フルオロスルホニル−トリフルオロメタンスルホニルアミド、
N−フルオロスルホニル−ペンタフルオロエチルスルホニルアミド、
N−フルオロスルホニル−ヘプタフルオロプロピルスルホニルアミド、
N−フルオロスルホニル−ノナフルオロブチルスルホニルアミド、
N−トリフルオロメタンスルホニル−ペンタフルオロエチルスルホニルアミド、N−トリフルオロメタンスルホニル−ヘプタフルオロプロピルスルホニルアミドまたはN−トリフルオロメタンスルホニル−ノナフルオロブチルスルホニルアミドが挙げられる。
好ましい実施形態では、アニオンは、ハロゲン化物または式(V)のスルホニルアミドである。より好ましい実施形態では、アニオンは、塩化物、ビス(フルオロスルホニル)アミド、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド、またはN−フルオロスルホニル−トリフルオロメタンスルホニルアミドである。更に好ましい実施形態では、アニオンは、フルオロスルホニル)アミド、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド、またはN−フルオロスルホニル−トリフルオロメタンスルホニルアミドである。最も好ましい実施形態では、アニオンは、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミドである。この最後のアニオンは、ビス(トリフルオロメタン)スルホンイミド、ビストリフルイミド、TFSI、またはTFSAとも呼ばれる。それは、式CF−SO−N−SO−CFである。
Lが直鎖アルキレンリンカーであるイオン化合物は、次の一般式(VI)で表せる:

式中、CAT、ANI、R、RおよびRは、上記定義した通りであり、mは、0〜10の整数、好ましくは1〜5の整数、より好ましくは1〜3の整数である。
イオン化合物の使用

本発明のイオン化合物およびイオン液体は、実施形態では、電池、エレクトロクロミック素子およびキャパシタのような電気化学セルの電解質として使用され得る。このような電気化学セルは、アノード、カソード、および電解質を含む。イオン化合物は、その用途である特定の電気化学製品の動作温度で液体であることが好ましい。本発明の純粋なイオン化合物から、または本発明の少なくとも2つのイオン化合物の混合物から、そのような電解質を調製することが可能である。
これらのイオン化合物から電解質を調製するために、それらに適切な電導性塩を溶解すべきであることは、当業者に明白であろう。リチウム電池およびリチウムイオン電池の使用のために、リチウム塩を適切な濃度、例えば、0.05〜3mol/lで溶解され得る。リチウム塩の制限されない例としては、過塩素酸塩、テトラフルオロホウ酸塩、ヘキサフルオロリン酸塩、ビス(フルオロスルホニル)アミド、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミドおよびそれらの誘導体が挙げられる。電解質を電気化学デバイスの異なるタイプで使用するとき、イオン液体中に他の塩、例えば、ナトリウム塩およびカリウム塩を溶解され得る。
その特性を改善するために、様々な添加剤を電解質に添加され得る。例えば、粘度を低下するため、および電導率を増加するために、1つ以上の有機溶媒、特に、炭酸アルキルのような極性溶媒を、例えば、電解質の総質量の約1〜約80%の量で添加され得る。
高電圧および低電圧での安定性を改善するために、炭酸ビニレンおよびエタン誘導体(すなわちビニル化合物)のような不飽和炭酸塩類を、例えば、電解質の総重量の約0.1〜約15重量%の濃度で添加され得る。
本発明のイオン化合物を合成する方法
トリアルキルシロキシ基を有するイオン化合物は、3工程で合成し得る。
i)単純アニオン(ハロゲン化物または硫酸塩のような)とのオニウム塩の合成
ii)単純アニオンを、トリフラート、テトラフルオロホウ酸、ヘキサフルオロリン酸、ビス(フルオロスルホニル)アミド、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミドまたはトリス(ペンタフルオロエチル)トリフルオロリン酸のような、より複雑なアニオンと交換するアニオンメタセシス、そして
iii)トリアルキルシリル基の該分子への導入
いくつかの場合、より複雑なアニオンとの塩の直接的合成を、アニオンメタセシスなしで、1工程で実現し得る。
テトラアルキルアンモニウム塩は、様々な製法で合成され得る。
工程i)
N,N−ジアルキル−2−アミノエタノール、またはその長鎖類似体の四級化反応
コリン類似体は、N.N−ジアルキル−2−アミノエタノールの四級化により、または適切なアルキル化剤とN.N−ジアルキル−3−アミノプロパノールのようなその長鎖類似体の四級化により合成され得る。
アルキルハロゲン化物は、出発物質として使用し得る。塩化物は、あまり反応性がない。従って、それらを使用する時は、高反応温度が必要であり、生成物の変質および取り除くのが難しい着色不純物の汚染をまねき得る。アルキルヨウ化物は、非常に反応性があるが、ヨウ化物アニオンは、容易にヨウ素に酸化され得るので、これが、望まない着色および生成物の汚染の原因となる。アルキル臭化物は、反応性および最終生成物の安定性の間で良好な折衷を示す。分子へのメチル基またはエチル基の導入のために、硫酸ジメチルおよび硫酸ジエチルも、最適な試薬である。特定のアルキル基のために、メシル酸アルキルまたはトシル酸アルキルが使用され得る。
N,N−ジアルキル−2−アミノエタノール、またはN,N−ジアルキル−3−アミノプロパノールのようなその長鎖類似体は、アセトニトリル、トルエン、THF、またはエーテルのような不活溶媒に溶解し、アルキル化剤は、一定の反応温度を維持するような速度で添加する。四級化反応は、多くの場合、発熱反応であり、添加中は、細心の注意が必要である。反応温度は、不純物生成をできるだけ抑えるよう低くすべきであるが、もし、アルキル化剤に塩化物類を使用するなら、トルエンの沸点でさえ、反応はゆっくり進む。反応が完結後、得られた塩を単離する。ほとんどの場合、これは、生成固体物の沈殿およびその濾過が容易になるように、酢酸エチルの添加によりなし得る。もし、生成物が液体であるなら、溶媒を蒸発により留去し、残りの液体を、出発物質を溶解するが生成物を溶解しない溶媒を用いて洗浄する。このタイプの精製で最も適切な溶媒は、一般的に、エーテルまたは酢酸エチルである。生成物は、水、アセトニトリル、アセトンまたはアルコールまたはそれらの混合物のような適切な溶媒から再結晶化により精製され得る。
この反応のスキームは:
[式中、R、R、Rおよびmは、上記定義の通りである]
である。
エタノール誘導体または他の脂肪族アルコールを用いたトリアルキルアミン類の四級化反応
トリアルキルアミン類の四級化は、エタノール誘導体または他の脂肪族アルコール;特に2−クロロエタノールまたは2−ブロモエタノールおよび3−ハロプロパノールと達成され得る。ブロモ誘導体類は、より反応性があるので、低温度にする必要が有り、反応は、通常、不純物を生成しないでスムースに進む。この方法は、イミダゾリウム塩、ピペリジニウム塩、モルホリニウム塩、ピロリジニウム塩およびアゼパニウム塩のような環式類似体の合成に、特に適切である。
トリアルキルアミンおよびω−ハロアルコールは、高温、例えば、反応混合物の沸点などで、アセトニトリル、トルエン、THF、またはエーテルのような適切な溶媒で反応させる。この反応のスキームは次のものである:
式中、R、R、Rおよびmは、上記定義の通りである。
トリアルキルアンモニウム塩および酸化エチレンの反応
3番目の選択肢は、トリアルキルアンモニウム塩を、高圧反応器中で酸化エチレンと反応させる方法である。この反応のスキームは、次のものである:
式中、R、RおよびRは、上記定義の通りである。
トリアルキルアンモニウム塩が複雑なアニオンを含む場合、所望の室温イオン液体を、アニオンメタセシスなしの1工程で合成され得る。
工程ii)アニオンメタセシス
この工程で、四級化により生成されたオニウム塩のアニオンは、所望の、通常、より複雑で、より安定し、低結合性のアニオンと交換する。この工程で、通常、オニウム塩液体を合成する。通常、テトラフルオロホウ酸、ヘキサフルオロリン酸、トリフラート、ビス(フルオロスルホニル)アミド(FSI)、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド(TFSA)、トリス(ペンタフルオロエチル)トリフルオロリン酸(FAP)のような高フッ化アニオン類を、イオン化合物またはイオン液体の構造中に導入する。これらのアニオン類の供給源は、遊離酸またはそれらの塩、好ましくはアルカリ金属類の塩である。
オニウム塩および所望のアニオンの供給源を、例えば、水または有機溶媒などの適切な溶媒に混合する。メタセシスの推進力は、速いイオン反応、すなわち、弱く解離した化合物の形成(沈殿、気体)または反応混合物の2層分離(すなわち、不溶液体の沈殿)である。
FSI、TFSIおよびFAPは、非常に疎水性であるので、アニオンメタセシスは、イオン液体がより高濃度な層として分離せしめる水中で実施し得る。不純物を除去するために、水を用いて簡単に洗浄する必要がある。いくつかの場合、アニオンメタセシスは、特に、所望のイオン化合物が水に溶解性があり、水中でのアニオン交換実施がイオン化合物の部分的ロスをもたらし得るときに、有機溶媒類で実施され得る。
工程iii)シリル基の導入
シリル基の導入は、カチオン分子の脂肪族OH基の保護と同様に考えられる。このような脂肪族OHは、イオン化合物の感応性の高い部分であり、電解質の使用に適さない。保護の結果として、シリルオキシ基になり、プロトン性化合物との相互作用に感応性が高くなり、加水分解され得る。シリルオキシ基の加水分解安定性は、ケイ素原子に結合したアルキル基の分岐サイズの増加により改善される。様々なシリル基を導入され得るが、大きな基は、イオン化合物の融点を高くし、および/またはイオン液体の粘度を高くし得るので、可能な最も小さなアルキル基の使用は有利である。
トリアルキル基は、シリル化剤によりカチオン中に導入され、脂肪族OH基と反応させることが可能である。しかしながら、全てのシリル化剤が同じように適するわけではない。トリアルキルハロゲン化物、トリアルキルトリフラート、硫酸トリアルキル類は、シリル化反応中に酸を発生し、反応混合物からそれらを除去するのは、非常に困難であり得る。イオン液体で、最も許容な精製方法は蒸発であるので、最良なシリル化剤は、気体の副生成物のみ生成するものである。この状況において、シラザン類は、それらの副生成物がアンモニアまたはアミン類のみであるので、シリル基導入に最適試薬である。しかしながら、他の試薬も使用され得る。
例えば、トリメチルシリル(TMS)基を導入するために使用し得る多くのシリル化剤がある。TMSは、一般に、有機合成全般の保護基として使用される。ヘキサメチルジシラザン(HMDS)の使用は、安価なので最も有利である。また、N,N−ビス(トリメチルシリル)メチルアミン、N−トリメチルシリルジメチルアミンは、それらの副生成物が、室温で気体であるメチルアミンおよびジメチルアミンであるので、使用され得る。
他のシリル基のために、シリル化剤は、容易に入手できないが、クロロシラン類からシラザン類を合成し、蒸溜により精製して、次いで、シリル化イオン液体の合成に使用し得る。例えば、N−トリエチルシリル−ジメチルアミンおよびN−トリエチルシリル−ジエチルアミンは、トリエチルシリル基の導入に使用され得る。同様に、N−エチルジメチルシリル−ジメチルアミンおよびN−エチルジメチルシリル−ジエチルアミンは、エチルジメチルシリル基の導入に使用され得る。
ヒドロキシイオン化合物のシリル化は、シリル化剤を、不活溶媒中でイオン化合物と混合し、この混合物を高温に加熱し、反応完結後に副生成物を除去することにより、完遂され得る。イオン化合物は、徹底的に真空乾燥して得られ、通常、ほとんどの目的には十分に純粋である。時により、脱色炭および濾過などの精製を追加する必要はあり得る。
シリル化反応に、いつも溶媒が必要なわけではない。もし、イオン化合物が室温で液体なら、反応は、溶媒なしで実行し得るが、この場合、シラザンおよびヒドロキシイオン化合物が一般的に混和しないので、激しく撹拌する必要がある。この反応の誘導期は、他のものより少し長いかもしれないが、反応が始まると、通常、変態挙動が完結するまで続く。
もし、HMDSがシリル化に使用されるなら、ジクロロメタンは、一般的に、HMDSおよびイオン化合物の両方とも溶解するので、溶媒として使用され得る。
ほとんどの場合、50〜60℃周辺の温度への加熱は、活発な反応を起こすには十分である。変態挙動完結のため、混合物を数時間加熱する必要があり得る。その後、揮発性化合物を除去して、シリル化イオン化合物は一般的に純粋な形態で得られる。
定義
本明細書で、「ある、ひとつの(a)」および「ある、ひとつの(an)」ならびに「その、該、前記(the)」ならびに本発明に記載の文脈中(特に、次の請求範囲の文脈中)での同様な指示対象の使用は、本明細書で、特に指摘しない限り、あるいは明確に文脈と矛盾しない限り、単数および複数の両方を包含すると解釈される。
また、「含む(comprising)」、「有する(having)」、「含む(including)」および「含む(containing)」という語は、別途断らない限り、オープンエンドターム(すなわち、「含むが限らない」という意味)と解釈される。
本明細書で、値の範囲の列挙は、個々に、範囲に含まれる各々の個別の値に注意を向ける簡単な方法として役割を果たすというだけの意図であり、本明細書に特に指示しない限り、各々個別の値は、あたかも本明細書に個々に列挙されたかのように本明細書に組み入れられる。範囲内の値全ての部分集合も、あたかも、それらが個々に列挙されたかのように本明細書に組み入れられる。
同様に、本明細書で、様々な置換基およびこれらの置換基に列挙した様々なラジカルを有する一般化学構造は、任意のラジカルの任意の置換基との組み合わせにより得られる各々の分子およびあらゆる分子に対して、個々に注意を向ける簡単な方法として役割を果たすというだけの意図である。各々の個別の分子は、あたかも本明細書に個々に列挙されたかのように本明細書に組み入れられる。更に、一般化学構造の範囲内の分子の全ての部分集合も、あたかも、それらが個々に列挙されたかのように本明細書に組み入れられる。
本明細書に記載の全ての方法は、本明細書で、特に指摘しない限り、あるいは明確に文脈と矛盾しない限り、任意の適切な順で実施され得る。
本明細書で使用する任意のおよび全ての例または例示的言い回し(例えば、「など」)は、特に主張しない限り、本発明をよりよく説明することだけの意図であり、本発明の範囲に対する制限を設けるものではない。
本明細書中のいかなる言い回しも、請求項に記載されていない要素を本発明の実施に不可欠であるものとして示すものとは解釈されないものとする。
特に定義しない限り、本明細書で使用する全ての技術用語および化学用語は、本発明に属する技術分野に精通した者が通常理解するものと同じ意味を有する。
特に、本明細書で、「アルキル」、「アルキレン」、「アルケニル」、「アルケニレン」、「アルキニル」、「アルキニレン」およびそれらの誘導体(アルコキシ、アルキニレンオキシ、他など)という語は、当技術分野における通常の意味を有する。なお、特に指定しない限り、これらの基の炭化水素鎖は、直鎖または分岐鎖であり得る。更に、特に指定しない限り、これらの基は、1〜18個の炭素原子を含み、より具体的には、1〜12個の炭素原子、1〜6個の炭素原子、1〜3個の炭素原子、または1個もしくは2個の炭素原子を含み得る。より明確には、アルキルは、一般式−C2n+1の1価飽和脂肪族炭化水素ラジカルである。アルキレン基は、一般式−C2n−の2価飽和脂肪族炭化水素ラジカル(アルカンジイルとも呼ばれる)である。アルケニルは、少なくとも1つの二重結合を含む1価飽和脂肪族炭化水素ラジカルである。アルケニレンは、少なくとも1つの二重結合を含む2価飽和脂肪族炭化水素ラジカルである。アルキニルは、少なくとも1つの三重結合を含む1価飽和脂肪族炭化水素ラジカルである。アルキニレンは、少なくとも1つの三重結合を含む2価飽和脂肪族炭化水素ラジカルである。アルキルオキシまたはアルコキシは、式−O−アルキルの1価ラジカルである。アルキレンオキシは、式−O−アルキレン−の2価ラジカルである。アルキレンオキシの例は、エチレンオキシと呼ばれる−O−CH−CH−である。互いに結合した2つ以上のエチレンオキシ基を含む直鎖(すなわち、−[−O−CH−CH−]−)は、ポリエチレングリコール(PEG)、ポリエチレンオキシド(PEO)、またはポリオキシエチレン(POE)鎖と呼ばれる。アルケニルオキシは、式−O−アルケニルの1価ラジカルである。アルケニレンオキシは、式−O−アルケニレン−の2価ラジカルである。アルキニルオキシは、式−O−アルキニルの1価ラジカルである。アルキニレンオキシは、式−O−アルキニレン−の2価ラジカルである。
本明細書で、「約」という語は、その通常の意味を有する。実施形態では、限定された数値のプラスマイナス10%またはプラスマイナス5%を意味し得る。
本発明の他の目的、利点および特徴は、添付図を参照しただけの例としてその特定の実施形態の次の制限されない記述を読むことにより、より明確になるだろう。
例示的実施形態の記述
本発明は、次の制限されない実施例により更に詳細に例示される。
より具体的には、本発明のいくつかのイオン化合物の合成および評価を以下に報告する。これらの化合物は、室温で全て液体、または低融点を有する固体であった。
また、これらの化合物のいくつかのについてサイクリックボルタンメトリーの結果も報告する。これらの結果は、イオン化合物の安定性の範囲を示し、従って、それらが使用されるデバイスの電圧範囲を示す。例えば、黒鉛は、0.1Vまたは0.2Vの作用電圧を有し、リチウムは、0Vの作用電圧を有し、一方、チタン酸リチウムは、1.5Vの作用電圧を有する。
最終的に、様々な電極で、これらのイオン化合物のいくつかの適合性も報告する。
(実施例1)
N−(2−トリメチルシロキシエチル)−N,N,N−トリメチルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド(N1112−OTMS−TFSI)の合成

a)コリンビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド

55.8g(0.4mol)の塩化コリン(シグマアルドリッチ)を150mlのミリQ水に溶解した。得られた溶液を、200mlのミリQ水中の120g(0.41mol)のリチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド(LiTFSI)溶液と激しく撹拌しながら混合した。一度、相分離が起こったが、室温で更に5時間撹拌を続けた。それから、100mlのCHClを添加し、相分離した。水層を50mlのCHClで抽出し、1つに合わせた有機相を、50mlのミリQ水で6回洗浄した。透明無色の溶液を得た。この溶液を丸底フラスコに注ぎ入れた;溶媒を、ロータリーエバポレーターで留去し、次いで60℃高真空下で除去した。このようにして、127g(83%)の精製したコリンビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド(コリンTFSI)を得た。
HNMR(300MHz、DMSO−d)δ/ppm:3.11(s、9H)、3.31〜3.47(m、2H)、3.84(tt、J=5.03、2.29Hz、2H)、5.26(t、J=4.94Hz、1H)。
13CNMR(75MHz、DMSO−d)δ/ppm:53.30(br.t、J=3.50、3.50Hz)、55.31(s)、67.18(br.t、J=3.20、3.20Hz)、119.63(q、J=321.70Hz)。
b)N−(2−トリメチルシロキシエチル)−N,N,N−トリメチルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド
127g(0.33mol)の純コリンビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミドを入れた500ml丸底フラスコに、53g(0.33mol)のヘキサメチルジシラザン(HMDS)を、窒素緩流が生成アンモニアを容易に除去する器具を通過させながら、室温で添加した。コリンTFSI中にHMDSの細かい乳濁液が生成するように、この混合物を60〜70℃までゆっくり加熱して撹拌した。温度が60℃に達したときに、活発なアンモニアガスの発生が観察され、数分後に終わった。活発な反応が終わった後、該混合物を4時間加熱撹拌した。その後、所望生成物の上に分離層になり残ったHMDSを、高真空下蒸発させた。それから、丸底フラスコを6回アルゴンで充填し、再度排気した。この操作の間に生成物を70℃に加熱した。最終的に、装置を真空下に冷却してアルゴンを充填した。このようにして、150.5g(100%)の無色液体の表題化合物を得た。
HNMR(300MHz、クロロホルム−d)δ/ppm:0.10(s、9H)、3.14(s、9H)、3.38〜3.49(m、2H)、3.87〜4.03(m、2H)。
13CNMR(75MHz、クロロホルム−d)δ/ppm:−1.28(s)、54.22(t、J=3.50Hz)、56.67(s)、67.56(t、J=3.20Hz)、119.63(q、J=320.70Hz)。
(実施例2)
N−エチル−N−(2−トリメチルシロキシエチル)−N,N−ジメチルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド(N1122−OTMS−TFSI)の合成

a)N−エチル−N−2−ヒドロキシエチル−N,N−ジメチルアンモニウム臭化物
マグネチックスターラを装備した500mlの丸底フラスコ中に、150mlのMeCNに溶解した45.3g(0.508mol)の2−ジメチルアミノエタノールを入れた。この溶液に、61.5g(0.550mol)の臭化エチルおよび60mlのMeCNの混合物を、添加の間、冷却するために水浴(20℃)を使用して、1.5時間かけて滴下した。EtBrの半分を添加した後に、純白色結晶の生成物が溶液から沈殿し始めた。それから、該混合物を週末にかけて(57時間)撹拌し、その後、減圧濾過し、少量のアセトンで洗浄し、真空乾燥器60℃で乾燥した。濾液を蒸発乾固させ、更に生成物を単離した。全部で、98.13g(72%)のN−エチル−N−2−ヒドロキシエチル−N,N−ジメチルアンモニウム臭化物を得た。
HNMR(300MHz、重水)δ/ppm:1.35(tt、J=7.28、1.88Hz、3H)、3.11(s、6H)、3.38〜3.52(m、4H)、3.95−4.07(m、2H)。
13CNMR(75MHz、重水)δ/ppm:7.24(s)、50.38(t、J=3.90Hz)、54.92(s)、60.57(t、J=2.70Hz)、63.94(t、J=3.30Hz)。
b)N−エチル−N−2−ヒドロキシエチル−N,N−ジメチルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド
250ml丸底フラスコ中で、70mlのミリQ水中の52g(0.263mol)のN−エチル−N−2−ヒドロキシエチル−N,N−ジメチルアンモニウム臭化物溶液および80mlのミリQ水中の78g(0.274mol)のリチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド(LiTFSI)溶液を一緒にして、激しく撹拌しながら混合した。一度、相分離が起こったが、室温で更に4時間撹拌を続けた。それから、100mlのCHClを添加し、相分離した。水層を50mlのCHClで抽出し、1つに合わせた有機相を、100mlのミリQ水で6回洗浄した。透明無色の溶液を得て、それを丸底フラスコに注ぎ入れた。溶媒を、ロータリーエバポレーターで留去し、次いで60℃高真空下で除去した。このようにして、70g(67%)の精製した無色液体のN−エチル−N−2−ヒドロキシエチル−N,N−ジメチルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミドを得た。
HNMR(300MHz、DMSO−d)δ/ppm:1.25(br.t、J=7.30、7.30Hz、3H)、3.03(s、39H)、3.28〜3.46(m、26H)、3.56(s、12H)、3.75〜3.91(m、13H)、5.29(t、J=4.94Hz、6H)。
13CNMR(75MHz、DMSO−d)δ/ppm:7.63(s)、50.23(t、J=3.50Hz)、54.96(s)、59.50〜60.18(m)、64.19(t、J=2.49Hz)、119.50(q、J=321.20Hz)。
c)N−エチル−N−(2−トリメチルシロキシエチル)−N,N−ジメチルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド
80g(0.20mol)の純N−エチル−N−(2−ヒドロキシエチル)−N,N−ジメチルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド(TFSI)を入れた250ml丸底フラスコに、31g(0.20mol)のヘキサメチルジシラザン(HMDS)を、窒素緩流が生成アンモニアを容易に除去する器具を通過させながら、室温で添加した。イオン液体中にHMDSの細かい乳濁液が生成するように、この混合物を60〜70℃までゆっくり加熱して撹拌した。温度が60℃に達したときに、活発なアンモニアガスの発生が観察され、数分後に終わった。活発な反応が終わった後、該混合物を4時間加熱撹拌した。その後、所望生成物の上に分離層になり残ったHMDSを、高真空下蒸発させた。それから、丸底フラスコを6回アルゴンで充填し、再度排気した。この操作の間に生成物を70℃に加熱した。最終的に、装置を真空下に冷却してアルゴンを充填した。このようにして、94g(100%)の無色液体の表題化合物を得た。
HNMR(300MHz、クロロホルム−d)δ/ppm:0.10(s、9H)、1.34(br.t、J=7.10、7.10Hz、3H)、3.06(s、6H)、3.32〜3.51(m、4H)、3.86〜4.04(m、2H)。
13CNMR(75MHz、クロロホルム−d)δ/ppm:−1.25(s)、7.94(s)、50.96(t、J=3.59Hz)、56.43(s)、61.46(br.s.)、64.54(br.s.)、119.67(q、J=321.20Hz)。
19FNMR(470MHz、クロロホルム−d)δ/ppm:−78.89(s)。
(実施例3)
N,N−ジエチル−N−(2−トリメチルシロキシエチル)−N−メチルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド(N1222−OTM−TFSI)の合成

a)N,N−ジエチル−N−2−ヒドロキシエチル−N−メチルアンモニウムメチル硫酸塩
マグネチックスターラを装備した1Lの丸底フラスコ中に、250mlのMeCNに溶解した117.10g(1mol)の2−ジメチルアミノエタノールを入れた。該溶液を、氷水浴を利用して20℃以下に冷却した。冷却した溶液に、130g(1.03mol)の硫酸ジメチルおよび100mlのMeCNの混合物を、温度が40℃を超えないように、0.5時間かけて滴下した。該混合物を週末にかけて(60時間)撹拌し、次いで、MeCNをロータリーエバポレーターで留去した。242g(100%)の淡桃色油状のN,N−ジエチル−N−2−ヒドロキシエチル−N−メチルアンモニウムメチル硫酸塩を得た。
HNMR(300MHz、DMSO−d)δ/ppm:1.20(t、J=7.14Hz、6H)、2.96(s、3H)、3.28〜3.40(m、6H)、3.40(s、3H)、3.74〜3.85(m、2H)、5.09(br.s.、1H)。
13CNMR(75MHz、DMSO−d)δ/ppm:7.64(s)、47.22(br.s)、53.16(s)、54.91(s)、56.50(br.s)、61.26(br.s)。
b)N,N−ジエチル−N−2−ヒドロキシエチル−N−メチルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド
250ml丸底フラスコ中で、70mlのミリQ水に溶解した68.58g(0.282mol)のN,N−ジエチル−N−2−ヒドロキシエチル−N−メチルアンモニウムメチル硫酸塩溶液および80mlのミリQ水に溶解した83.23g(0.290mol)のリチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド(LiTFSI)溶液を、激しく撹拌しながら混合した。一度、相分離が起こったが、室温で更に6時間撹拌を続けた。それから、100mlのCHClを添加し、相分離した。水層を20mlのCHClで抽出し、1つに合わせた有機相を、80mlのミリQ水で6回洗浄した。この溶液に、5gの活性炭を添加した。得られた混合物を、沸点まで加熱し、放冷して一夜(16時間)撹拌した。翌朝、該溶液を、0.22μmの気孔を有するPTFEフィルターを通して濾過した。透明の溶液を得て、それを丸底フラスコに注ぎ入れた。溶媒を、ロータリーエバポレーターで留去し、次いで60℃高真空下で除去した。このようにして、65.65g(56%)の精製した無色液体のN,N−ジエチル−N−2−ヒドロキシエチル−N−メチルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミドを得た。
HNMR(300MHz、DMSO−d)δ/ppm:1.20(t、J=7.14Hz、6H)、2.96(s、3H)、3.28〜3.40(m、6H)、3.40(s、3H)、3.74〜3.85(m、2H)、5.09(br.s.、1H)。
13CNMR(75MHz、DMSO−d)δ/ppm:7.48(s)、47.28(br.s.)、54.87(s)、56.60(br.s.)、61.48(br.s.)、119.65(q、J=321.20Hz)。
c)N,N−ジエチル−N−2−ヒドロキシエチル−N−メチルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド
65g(0.159mol)の純N,N−ジエチル−N−2−ヒドロキシエチル−N−メチルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミドを入れた250ml丸底フラスコに、25.69g(0.160mol)のヘキサメチルジシラザン(HMDS)を、窒素緩流が生成アンモニアを容易に除去する器具を通過させながら、室温で添加した。イオン液体中にHMDSの細かい乳濁液が生成するように、この混合物を60〜70℃までゆっくり加熱して撹拌した。温度が60℃に達したときに、活発なアンモニアガスの発生が観察され、数分後に終わった。該混合物を一夜(活発な反応が終わった後16時間)加熱撹拌した。その後、所望生成物の上に分離層になり残ったHMDSを、高真空下蒸発させた。淡く着色した油状生成物を得て、100mlのCHClで希釈した。5gの活性炭を添加した。該混合物を、沸点まで加熱し、室温まで冷却して、1時間後に、0.22μmPTFEフィルターを通して濾過した。溶媒を、ロータリーエバポレーターで留去し、次いで、5mlの新鮮なHMDSを無色の生成物に添加した。この混合物を、激しく撹拌し、70℃で1時間加熱した。それから、揮発性化合物を、真空で除去して、フラスコを6回アルゴンで充填し、再度排気した。この操作の間に生成物を70℃に加熱した。最終的に、装置を真空下に冷却してアルゴンを充填した。このようにして、72g(93%)の無色液体の表題化合物を得た。
HNMR(300MHz、クロロホルム−d)δ/ppm:0.07(s、9H)、1.27(t、J=7.14Hz、6H)、2.94(s、3H)、3.25〜3.43(m、6H)、3.81−3.98(m、2H)。
13CNMR(75MHz、クロロホルム−d)δ/ppm:−1.37(s)、7.47(s)、47.74(br.s.)、56.10(s)、57.56(br.s)、61.60(br.s.)、119.62(q、J=321.20Hz)。
(実施例4)
N,N,N−トリエチル−N−(2−トリメチルシロキシエチル)アンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド(N2222−OTM−TFSI)の合成

a)N,N,N−トリエチル−N−(2−ヒドロキシエチル)アンモニウム臭化物
マグネチックスターラを装備した500mlの丸底フラスコ中に、80mlのMeCNに溶解した58.6g(0.50mol)の2−ジエチルアミノエタノールを入れた。該溶液に、60g(0.550mol)の臭化エチルおよび40mlのMeCNの混合物を、0.75時間かけて滴下した。該混合物を週末にかけて(57時間)撹拌し、その間に、白色結晶の生成物が分離した。この沈殿物を、減圧濾過し、少量のアセトンで洗浄して、真空乾燥器60℃で乾燥した。濾液を蒸発させて小容量にし、酢酸エチルを使用して、更に生成物を沈殿させた。全部で、87.51g(77%)のN,N,N−トリエチル−N−(2−ヒドロキシエチル)アンモニウム臭化物を得た。
HNMR(300MHz、DMSO−d)δ/ppm:1.17(t、J=7.14Hz、9H)、3.26〜3.31(m、2H)、3.32(q、J=7.00Hz、6H)、3.76(br.d、J=4.80Hz、2H)、5.26(t、J=5.49Hz、1H)
13CNMR(75MHz、DMSO−d)δ/ppm:7.31(s)、52.72(s)、54.37(s)、57.67(br.s)。
b)N,N,N−トリエチル−N−(2−ヒドロキシエチル)アンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド
250ml丸底フラスコ中で、70mlのミリQ水中の40g(0.177mol)のN,N,N−トリエチル−N−(2−ヒドロキシエチル)アンモニウム臭化物溶液および80mlのミリQ水に溶解した53g(0.185mol)のリチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド(LiTFSI)溶液を、激しく撹拌しながら混合した。一度、相分離が起こったが、室温で一夜(16時間)撹拌を続けた。それから、100mlのCHClを添加し、相分離した。水層を20mlのCHClで抽出し、1つに合わせた有機相を、80mlのミリQ水で6回洗浄した。透明の溶液を得て、それを丸底フラスコに注ぎ入れた。溶媒を、最初、ロータリーエバポレーターで留去し、次いで60℃高真空下で除去した。このようにして、65.71g(87%)の精製した無色液体のN,N,N−トリエチル−N−(2−ヒドロキシエチル)アンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミドを得た。
HNMR(300MHz、DMSO−d)δ/ppm:1.19(t、J=7.14Hz、9H)、3.19〜3.40(m、8H)、3.79(d、J=4.76Hz、2H)、5.25(t、J=5.13Hz、1H)。
13CNMR(75MHz、DMSO−d)δ/ppm:7.10(s)、52.95(br.s.)、54.71(s)、57.94(br.s.)、119.69(q、J=321.20Hz)。
c)N,N,N−トリエチル−N−(2−トリメチルシロキシエチル)アンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド
65g(0.152mol)の純N,N,N−トリエチル−N−(2−トリメチルシロキシエチル)アンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミドを入れた250ml丸底フラスコに、24.5g(0.152mol)のヘキサメチルジシラザン(HMDS)を、窒素緩流が生成アンモニアを容易に除去する器具を通過させながら、60℃で添加した。反応は、添加後2分で開始した。コリンTFSI中にHMDSの細かい乳濁液が生成するように、この混合物を撹拌した。数分後に、激しいアンモニアガスの発生は終わったが、該混合物を一夜(激しい反応が終わった後16時間)加熱撹拌した。その後、所望生成物の上に分離層になり残ったHMDSを、高真空下蒸発させた。丸底フラスコを5回アルゴンで充填し、再度排気した。この操作の間に生成物を70℃に加熱した。最終的に、装置を真空下に冷却してアルゴンを充填した。このようにして、75.6g(100%)の無色液体の表題化合物を得た。
HNMR(300MHz、クロロホルム−d)δ/ppm:0.11(s、9H)、1.28(t、J=7.3Hz、9H)、3.17〜3.50(m、8H)、3.91(br.s.、2H)。
13CNMR(75MHz、クロロホルム−d)δ/ppm:−1.20(s)、7.23(s)、53.72(br.s.)、56.02(s)、58.27(br.s.)、119.76(q、J=321.20Hz)。
(実施例5)
N−(2−トリメチルシロキシエチル)−N,N−ジメチル−N−プロピルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド(N1132−OTMS−TFSI)の合成

a)N−(2−ヒドロキシエチル)−N,N−ジメチル−N−プロピルアンモニウム臭化物
マグネチックスターラを装備した1000mlの丸底フラスコ中に、200mlのMeCNに溶解した135g(1.50mol)の2−ジメチルアミノエタノールを入れた。該溶液は、混合中、相当に冷却した。この溶液に、200g(1.64mol)の臭化プロピル、80mlのMeCNおよび50mlのトルエンの混合物を、温度が35℃を超えないように、1時間かけて滴下した。初めに、約5ml/分の添加速度で、昇温が認められたら、この速度を5滴/秒に減じた。該混合物を、週末にかけて(57時間)撹拌し、この間に、少量の白色結晶の沈殿物が分離した。200mlの酢酸エチルを添加して、生成物の大部分を沈殿させ、次いで、これを減圧濾過し、少量の酢酸エチルで洗浄して、真空乾燥器60℃で乾燥した。濾液を蒸発させて小容量にして、酢酸エチルで更に生成物を沈殿させた。全部で、307g(96%)のN−(2−ヒドロキシエチル)−N,N−ジメチル−N−プロピルアンモニウム臭化物を得た。
HNMR(300MHz、DMSO−d)δ/ppm:0.87(t、J=7.3Hz、3H)、1.57〜1.78(m、2H)、3.08(s、6H)、3.26〜3.37(m、2H)、3.38〜3.46(m、2H)、3.81(br.s.、2H)、5.26(t、J=5.1Hz、1H)。
13CNMR(75MHz、DMSO−d)δ/ppm:10.57(s)、15.55(s)、50.88(t、J=3.5Hz)、54.88(s)、64.61(br.t)、65.38(br.t)。
b)N−(2−ヒドロキシエチル)−N,N−ジメチル−N−プロピルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド
500ml丸底フラスコ中で、100mlのミリQ水中の100g(0.472mol)のN−(2−ヒドロキシエチル)−N,N−ジメチル−N−プロピルアンモニウム臭化物溶液および100mlのミリQ水に溶解した135g(0.472mol)のリチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド(LiTFSI)溶液を、激しく撹拌しながら混合した。一度、相分離が起こったが、室温で一夜(16時間)撹拌を続けた。それから、120mlのCHClを添加し、相分離した。水層を20mlのCHClで抽出し、1つに合わせた有機相を、80mlのミリQ水で7回洗浄した。透明の溶液を得て、それを丸底フラスコに注ぎ入れた。溶媒を、最初、ロータリーエバポレーターで留去し、次いで60℃高真空下で除去した。このようにして、154.67g(80%)の精製した無色液体のN−(2−ヒドロキシエチル)−N,N−ジメチル−N−プロピルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミドを得た。
HNMR(300MHz、DMSO−d)δ/ppm:0.89(t、J=7.3Hz、3H)、1.59〜1.80(m、2H)、3.05(s、6H)、3.21〜3.32(m、2H)、3.33〜3.40(m、2H)、3.83(br.s.、13H)、5.26(t、J=4.9Hz、6H)。
13CNMR(75MHz、DMSO−d)δ/ppm:10.38(s)、15.51(s)、50.87(br.t)、55.02(s)、64.82(br.t)、65.65(br.t)、119.58(q、J=321.8Hz)。
19FNMR(470MHz、DMSO−d)δ/ppm:−78.76(s)。
c)N−(2−トリメチルシロキシエチル)−N,N−ジメチル−N−プロピルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド
154.6g(0.38mol)の純N−(2−ヒドロキシエチル)−N,N−ジメチル−N−プロピルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミドを入れた250ml丸底フラスコに、72.63g(0.45mol)のヘキサメチルジシラザン(HMDS)を、窒素緩流が生成アンモニアを容易に除去する器具を通過させながら、室温で添加した。イオン液体中にHMDSの細かい乳濁液が生成するように、該混合物を、60〜70℃までゆっくり加熱し、撹拌した。温度が60℃に達したとき、激しいアンモニアガスの発生があり、数分後終わったが、該混合物を一夜(激しい反応が終わった後16時間)加熱撹拌した。その後、所望生成物の上に分離層になり残ったHMDSを、デカントした。淡く着色した油状生成物を得て、150mlのCHClで希釈した。10gの活性炭を添加し、該混合物を3分間沸点まで加熱した。それから、該混合物を室温まで冷却し、1時間後、0.22μmPTFEフィルターを通して濾過した。溶媒を、ロータリーエバポレーターで留去した。5mlの新鮮なHMDSを透明な生成物に添加した。得られた混合物を、激しく撹拌し、1時間、70℃まで加熱した。次いで、揮発性化合物を真空で取り除き、フラスコを6回アルゴンで充填し、再度排気した。この操作の間に生成物を70℃に加熱した。最終的に、装置を真空下に冷却してアルゴンを充填した。このようにして、183g(99%)の無色液体の表題化合物を得た。
HNMR(300MHz、クロロホルム−d)δ/ppm:0.10(s、9H)、0.95(t、J=7.1Hz、3H)、1.65〜1.83(m、2H)、3.08(s、6H)、3.21〜3.31(m、2H)、3.40(dt、J=4.5、2.3Hz、2H)、3.94(br.s.、2H)。
13CNMR(75MHz、クロロホルム−d)δ/ppm:−4.96〜1.24(m)、9.90(br.s.)、15.95(br.s.)、51.56(br.s.)、56.49(s)、64.90(br.s.)、67.02(br.s)、119.68(q、J=321.2Hz)。
19FNMR(470MHz、クロロホルム−d)δ/ppm:−78.87(s)。
(実施例6)
N−(2−トリメチルシロキシエチル)−N−メチルピロリジニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミドの合成

a)N−(2−ヒドロキシエチル)−N−メチルピロリジニウム塩化物
マグネチックスターラを装備した250mlの丸底フラスコ中に、83gのトルエンに溶解した30g(0.352mol)のN−メチルピロリジンを入れた。この溶液に、20gのトルエン中の28.3g(0.352mol)の2−クロロエタノールの混合物を、0.5時間かけて滴下した。該混合物を、週末にかけて(57時間)撹拌し、この間、反応が完結する徴候は観察されなかった。従って、該混合物を、14時間、80℃まで加熱して、相分離が起こった。該混合物を室温まで冷却すると、下層が固まった。トルエンをデカントし、次いで、固形物を砕き、メタノールに溶解した。5gの活性炭を添加した。該混合物を沸点まで加熱し、冷却して、濾過した。濾液を蒸発させて、43.34g(75%)の表題のN−(2−ヒドロキシエチル)−N−メチルピロリジニウム塩化物を得た。
HNMR(300MHz、DMSO−d)δ/ppm:1.93−2.17(m、4H)、3.08(s、3H)、3.47(dd、J=6.04、4.21Hz、2H)、3.52〜3.62(m、4H)、3.80(dd、J=4.39、2.20Hz、2H)、5.72(t、J=5.31Hz、1H)。
13CNMR(75MHz、DMSO−d)δ/ppm:25.64(s)、52.57(br.s.)、60.17(s)、68.93(br.s.)、69.31(br.s.)。
b)N−(2−ヒドロキシエチル)−N−メチルピロリジニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド
250ml丸底フラスコ中で、130mlのミリQ水中の38g(0.23mol)のN−(2−ヒドロキシエチル)−N−メチルピロリジニウム塩化物溶液および65g(0.23mol)の固形リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド(LiTFSI)を、激しく撹拌しながら混合した。一度、相分離が起こったが、室温で一夜(16時間)撹拌を続けた。それから、80mlのCHClを添加し、相分離した。有機相を、80mlのミリQ水で7回洗浄した。透明の溶液を得て、それを丸底フラスコに注ぎ入れた。溶媒を、最初、ロータリーエバポレーターで留去し、次いで65℃高真空下で除去した。このようにして、67.46g(70%)の精製した無色液体のN−(2−ヒドロキシエチル)−N,N−ジメチル−N−プロピルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミドを得た。
HNMR(300MHz、DMSO−d)δ/ppm:1.96〜2.21(m、4H)、3.03(s、3H)、3.42(dd、J=5.86、4.39Hz、2H)、3.46〜3.59(m、4H)、3.76−3.92(m、2H)、5.27(t、J=4.76Hz、1H)。
13CNMR(75MHz、DMSO−d)δ/ppm:20.89(s)、47.98(t、J=3.50Hz)、55.59(s)、64.31(t、J=2.80Hz)、64.66(t、J=2.80Hz)、119.54(q、J=322.00Hz)。
c)N−(2−トリメチルシロキシエチル)−N−メチルピロリジニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド
67.46g(0.164mol)の純N−(2−ヒドロキシエチル)−N−メチルピロリジニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミドを入れた250ml丸底フラスコに、27g(0.168mol)のヘキサメチルジシラザン(HMDS)を、窒素緩流が生成アンモニアを容易に除去する器具を通過させながら、室温で添加した。イオン液体中にHMDSの細かい乳濁液が生成するように、該混合物を、60〜70℃までゆっくり加熱し、撹拌した。温度が60℃に達したとき、激しいアンモニアガスの発生があり、数分後終わった。該混合物を一夜(激しい反応が終わった後16時間)加熱撹拌した。その後、揮発性化合物を真空で取り除き、フラスコを6回アルゴンで充填し、再度排気した。この操作の間に生成物を70℃に加熱した。最終的に、装置を真空下に冷却してアルゴンを充填した。このようにして、81g(100%)の無色液体、室温で固体になった表題化合物を得た。この固体の融点は、約40℃であった。
HNMR(300MHz、クロロホルム−d)δ/ppm:0.07(s、9H)、2.01〜2.26(m、4H)、3.02(s、3H)、3.32〜3.43(m、2H)、3.44〜3.62(m、4H)、3.84〜4.00(m、2H)。
13CNMR(75MHz、クロロホルム−d)δ/ppm:−1.35(s)、20.96(s)、48.29(br.s.)、56.65(s)、65.11(br.s.)、65.35(br.s)、119.57(q、J=323.70Hz)。
19FNMR(470MHz、クロロホルム−d)δ/ppm:−79.21(s)。
(実施例7)
1−(2−トリメチルシロキシエチル)−2、3−ジメチルイミダゾリウム
ビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミドの合成

a)1−(2−ヒドロキシエチル)−2、3−ジメチルイミダゾリウム塩化物
マグネチックスターラを装備した250mlの丸底フラスコ中に、80mlのトルエンに溶解した48.07g(0.5mol)の1,2−ジメチルイミダゾールを入れた。この溶液に、40.26g(0.5mol)の2−クロロエタノールを、1度に添加した。該混合物を、週末にかけて(57時間)70℃で撹拌し、この間、反応が完結する徴候は観察されなかった。該混合物を、24時間、加熱して、この間に、相分離が起こった。該混合物を室温まで冷却すると、黄色油状の下方層が固まった。トルエンをデカントし、次いで、固形物を砕き、新鮮なトルエンで洗浄し、濾過した。生成物を乾燥して、87.25g(98%)の表題の1−(2−ヒドロキシエチル)−2、3−ジメチルイミダゾリウム塩化物を得た。
HNMR(300MHz、DMSO−d)δ/ppm:2.63(s、3H)、3.64(q、J=5.13Hz、2H)、3.79(s、3H)、4.23(t、J=4.94Hz、2H)、5.59(t、J=5.68Hz、1H)、7.69〜7.79(m、2H)。
13CNMR(75MHz、DMSO−d)δ/ppm:9.78(s)、34.72(s)、50.22(s)、59.60(s)、121.23(s)、122.13(s)、144.86(s)。
b)1−(2−ヒドロキシエチル)−2、3−ジメチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド
250ml丸底フラスコ中で、130mlのミリQ水中の20g(0.113mol)のN−(2−ヒドロキシエチル)−N−メチルピロリジニウム塩化物溶液および36g(0.125mol)の固形リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド(LiTFSI)を、激しく撹拌しながら混合した。一度、相分離が起こったが、室温で一夜(16時間)撹拌を続けた。それから、80mlのCHClを添加し、相分離した。有機相を、50mlのミリQ水で4回洗浄した。透明の溶液を得て、それを丸底フラスコに注ぎ入れた。溶媒を、最初、ロータリーエバポレーターで留去し、次いで65℃高真空下で除去した。このようにして、23.2g(49%)の精製した無色液体の1−(2−ヒドロキシエチル)−2、3−ジメチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミドを得た。
HNMR(300MHz、DMSO−d)δ/ppm:2.59(s、3H)、3.64〜3.74(m、2H)、3.76(s、3H)、4.18(t、J=4.70Hz、2H)、5.11(br.s、1H)、7.59(s、2H)。
13CNMR(75MHz、DMSO−d)δ/ppm:9.48(s)、34.71(s)、50.38(s)、59.76(s)、119.63(q、J=321.70Hz)、121.36(s)、122.26(s)、144.95(s)。
c)1−(2−トリメチルシロキシエチル)−2、3−ジメチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド
50ml丸底フラスコに8.42g(0.02mol)の純1−(2−ヒドロキシエチル)−2、3−ジメチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミドおよび3.42g(0.02mol)のヘキサメチルジシラザン(HMDS)を、窒素緩流が生成アンモニアを容易に除去する器具を通過させながら、室温で添加した。イオン液体中にHMDSの細かい乳濁液が生成するように、該混合物を、60〜70℃までゆっくり加熱し、撹拌した。温度が80℃に達したとき、激しいアンモニアガスの発生があり、数分後終わった。該混合物を、80℃で4時間、および室温で一夜(激しい反応が終わった後16時間)撹拌した。その後、揮発性化合物を真空で取り除いた。フラスコを6回アルゴンで充填し、再度排気した。この操作の間に生成物を70℃に加熱した。最終的に、装置を真空下に冷却してアルゴンを充填した。このようにして、9.8g(100%)の無色液体の表題化合物を得た。
HNMR(300MHz、クロロホルム−d)δ/ppm:0.00(s、9H)、2.55(s、3H)、3.75(s、3H)、3.82(t、J=4.70Hz、2H)、4.15(t、J=4.70Hz、3H)、7.18(m、J=2.20Hz、1H)、7.24(m、J=1.80Hz、1H)
13CNMR(75MHz、クロロホルム−d)δ/ppm:−2.61〜0.00(m)、9.56(s)、35.01(s)、50.67(s)、60.70(s)、119.58(q、J=321.70Hz)、121.22(s)、122.13(s)、144.50(s)。
19FNMR(470MHz、クロロホルム−d)δ/ppm:−79.19(s)
(実施例8)
1−(2−トリメチルシロキシエチル)−3−メチルイミダゾリウム塩化物の合成

a)1−(2−ヒドロキシエチル)−3−メチルイミダゾリウム塩化物
マグネチックスターラを装備した250mlの丸底フラスコ中に、50mlのMeCNに溶解した30.3g(0.37mol)の1−メチルイミダゾールを入れた。この溶液に、35g(0.435mol)の2−クロロエタノールを、1度に添加した。該混合物を、48時間、還流撹拌し、この間、相分離が完結する徴候は起こらなかった。該混合物を室温まで冷却し、その少量(5ml)を30mlの酢酸エチルと混合した。分離した黄色油状生成物を新鮮な酢酸エチルで洗浄し、真空乾燥した。そのまま放置していると、結晶固体物に固化し、それが、1−(2−ヒドロキシエチル)−3−メチルイミダゾリウム塩化物と同定された。
HNMR(300MHz、DMSO−d)δ/ppm:3.68(t、J=4.94Hz、2H)、3.87(s、3H)、4.25(t、J=4.94Hz、2H)、5.60(br.s.、1H)、7.79〜7.84(m、1H)、7.85(t、J=1.65Hz、1H)、9.41(s、1H)。
13CNMR(75MHz、DMSO−d)δ/ppm:35.71(s)、51.49(s)、59.29(s)、122.66(s)、123.26(s)、136.90(s)。
b)1−(2−トリメチルシロキシエチル)−3−メチルイミダゾリウム塩化物
上記工程a)の反応混合物の残りを、室温で、53mlのヘキサメチルジシラザン(HMDS)と混合し、Nパージ下、還流させた。初期段階で、2層が形成されたが、約30分後、それらは、混和し、渾然一体となった。24時間後、揮発性化合物をロータリーエバポレーターで留去し、そして、高真空下で取り除いた。80g(98%)の非常に粘性のある黄色油状生成物を得た。
HNMR(300MHz、クロロホルム−d)δ/ppm:−0.15(s、9H)、3.68〜3.79(m、2H)、3.91(s、3H)、4.23〜4.38(m、2H)、7.37(t、J=1.65Hz、1H)、7.60(t、J=1.65Hz、1H)、10.13(s、1H)
13CNMR(75MHz、クロロホルム−d)δ/ppm:−1.19(s)、36.07(s)、51.49(s)、60.74(s)、122.59(s)、122.89(s)、137.11(s)。
(実施例9)
N−(2−トリメチルシロキシエチル)−N,N,N−トリメチルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド(N1112−OTMS−TFSI)のサイクリックボルタンメトリー(CV)
実施例1で合成した化合物を電気化学セルに満たした。これを、作用電極として白金線、対極としてリチウム金属(シート状)および参照極としてもう1つのリチウム金属シートを有する3極式電池とした。1mV/sの速度でLi電位基準0〜6Vの間でサイクリックボルタンメトリー曲線を測定した(図1)。
(実施例10)
N−エチルN−(2−トリメチルシロキシエチル)−N,N−ジメチルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド(N1122−OTMS−TFSI)のサイクリックボルタンメトリー(CV)
実施例2で合成した化合物を電気化学セルに満たした。これを、作用電極として白金線、対極としてリチウム金属(シート状)および参照極としてもう1つのリチウム金属シートを有する3極式電池とした。1mV/sの速度でLi電位基準0〜6Vの間でサイクリックボルタンメトリー曲線を測定した(図2)。
(実施例11)
N−エチルN−(2−トリメチルシロキシエチル)−N,N−ジメチルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド(N1122−OTMS−TFSI)中の0.3MのLiTFSIのサイクリックボルタンメトリー(CV)
20mlの実施例2のイオン液体中に1.7225gのLiTFSIを混合することにより0.3モル濃度LiTFSIの溶液を調製した。この溶液を電気化学セルに満たした。これを、作用電極として白金線、対極としてリチウム金属(シート状)および参照極としてもう1つのリチウム金属シートを有する3極式電池とした。1mV/sの速度でLi電位基準0〜6Vの間でサイクリックボルタンメトリー曲線を測定した(図3)。
(実施例12)
電解質のLiFePO電極との適合性
実施例11で合成した電解質をLiFePO(LFP)電極を用いた3極式電気化学セルで評価した。カソード材料は、LiFePO、カーボンブラックおよびポリビニリデンフルオリド(PVDF)をN−メチルピロリドン(NMP)中84:3:3:10(重量%比)の混合物を用いて調製した。そして、本混合物をアルミニウム電流コレクタに被膜した。該電極材料を使用前に12時間真空乾燥器中120℃で乾燥した。リチウム金属シート2枚を参照極および対極として使用した。LiFePO基剤の作用電極を電流速度C/24でLi電位基準2〜4Vの間でサイクルさせた(図4)。可逆容量は、3サイクル目で142mAh/gの測定結果であった。
(実施例13)
電解質のLiNi1/2Mn3/2電極との適合性
実施例11で合成した電解質をLiNi1/2Mn3/2電極を用いた3極式電気化学セルで評価した。カソード材料は、LiNi1/2Mn3/2、カーボンブラックおよびポリビニリデンフルオリド(PVDF)をN−メチルピロリドン(NMP)中84:3:3:10(重量%比)の混合物を用いて調製した。そして、本混合物をアルミニウム電流コレクタに被膜した。該電極材料を使用前に12時間真空乾燥器中120℃で乾燥した。リチウム金属シート2枚を参照極および対極として使用した。作用電極としてLiNi1/2Mn3/2を電流速度C/24でLi電位基準3〜4.9Vの間でサイクルさせた。充放電の非常に高い履歴現象が見られ理論容量の半分しか観察されなかった。プラトー電位は観察できなかった。
(実施例14)
電解質の黒鉛電極との適合性
実施例11で合成した電解質は、黒鉛(OMAC、大阪ガスケミカル)電極を用いた3極式電気化学セルで評価した。負極は、カーボンブラックおよびポリビニリデンフルオリド(PVDF)をN−メチルピロリドン(NMP)中92:2:6(重量%比)の混合により調製した。そして、本混合物を銅電流コレクタに被膜した。該電極材料を使用前に12時間真空乾燥器中120℃で乾燥した。リチウム金属シート2枚をLi電位基準で参照極および対極として使用した。該黒鉛作用電極を電流速度C/24でLi電位基準0〜2Vの間でサイクルさせた。(図5)初回サイクルのクーロン効率83%で可逆容量290mAh/gが観察された。
(実施例15)
N−(2−トリメチルシロキシエチル)−N,N−ジメチル−N−プロピルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド(N1132−OTMS−TFSI)中のサイクリックボルタンメトリー(CV)
実施例5で合成した化合物を電気化学セルに満たした。これを、作用電極として白金線、対極としてリチウム金属(シート状)および参照極としてもう1つのリチウム金属シートを有する3極式電池とした。1mV/sの速度でLi電位基準0〜6Vの間でサイクリックボルタンメトリー曲線を測定した(図6)。
(実施例16)
N−(2−トリメチルシロキシエチル)−N,N−ジメチル−N−プロピルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド(N1132−OTMS−TFSI)中の0.3MのLiTFSIのサイクリックボルタンメトリー(CV)
20mlのイオン液体中に1.7225gのLiTFSIを混合することにより、実施例5のイオン液体中0.3モル濃度LiTFSIの溶液を調製した。この電解質を電気化学セルに満たした。これを、作用電極として白金線、対極としてリチウム金属(シート状)および参照極としてもう1つのリチウム金属シートを有する3極式電池とした。1mV/sの速度でLi電位基準0〜6Vの間でサイクリックボルタンメトリー曲線を測定した(図7)。
(実施例17)
電解質のLiFePO電極との適合性
実施例16で合成した電解質は、LiFePO電極を用いた3極式電気化学セルで評価した。カソード材料は、実施例12に記載の方法で作製した。リチウム金属シート2枚を参照極および対極として使用した。作用電極としてLiFePOを電流速度C/24でLiに対して2〜4Vの間でサイクルさせ、黒鉛をLiに対して2〜4Vの間でサイクルさせた(図8)。113mAh/gの可逆容量が観察された。
(実施例18)
電解質の活性LiNi1/2Mn3/2電極との適合性
実施例16で合成した電解質をLiNi1/2Mn3/2電極を用いた3極式電気化学セルで評価した。カソード材料は、実施例13に記載の方法で作製した。リチウム金属シート2枚を参照極および対極として使用した。作用電極としてLiNi1/2Mn3/2を電流速度C/24でLi電位基準3〜4.9Vの間でサイクルさせた。70mAh/gの容量が、高電圧カソードで得られた。
(実施例19)
電解質の活性黒鉛電極との適合性
実施例16で合成した電解質を、黒鉛電極を用いた3極式電気化学セルで評価した。アノード材料は、実施例14に記載の方法で作製した。リチウム金属シート2枚をLi電位基準で参照極および対極として使用し、黒鉛を作用電極として使用した。該電池を電流速度C/24でLi電位基準0〜2.5Vの間でサイクルさせた。30mAh/gの可逆容量が得られた。
(実施例20)
N,N,N−トリエチル−N−(2−トリメチルシロキシエチル)アンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド(N2222−OTM−TFSI)のサイクリックボルタンメトリー(CV)
実施例4で合成した化合物を電気化学セルに満たした。これを、作用電極として白金線、対極としてリチウム金属(シート状)および参照極としてもう1つのリチウム金属シートを有する3極式電池とした。1mV/sの速度でLi電位基準0〜6Vの間でサイクリックボルタンメトリー曲線を測定した(図9)。
(実施例21)
N,N,N−トリエチル−N−(2−トリメチルシロキシエチル)アンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド中の0.3MのLiTFSIのサイクリックボルタンメトリー(CV)
20mlのイオン液体中に1.7225gのLiTFSIを混合することにより、実施例4で合成したイオン液体中0.3モル濃度LiTFSIの溶液を調製した。この溶液を電気化学セルに満たした。これを、作用電極として白金線、対極としてリチウム金属シートおよび参照極としてもう1つのリチウム金属シートを有する3極式電池とした。1mV/sの速度でLi電位基準0〜6Vの間でサイクリックボルタンメトリー曲線を測定した(図10)。
(実施例22)
電解質の活性電極との適合性
実施例21で合成した電解質を3極式電気化学セルで評価した。アノード材料は、実施例14に記載の方法で作製した。リチウム金属シート2枚を参照および電極として使用し、黒鉛を作用電極として使用した。該電池を電流速度C/24でLi電位基準0〜2.5Vの間でサイクルさせた。160mAh/gの可逆容量が3回目サイクルで得られた。
(実施例23)
N,N−ジエチル−N−(2−トリメチルシロキシエチル)−N−メチルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド(N1222−OTMS−TFSI)のサイクリックボルタンメトリー(CV)
実施例3で合成した化合物を電気化学セルに満たした。これを、作用電極として白金線、対極としてリチウム金属(シート状)および参照極としてもう1つのリチウム金属シートを有する3極式電池とした。1mV/sの速度でLi電位基準0〜6Vの間でサイクリックボルタンメトリー曲線を測定した(図11)。
(実施例24)
N,N−ジエチル−N−(2−トリメチルシロキシエチル)−N−メチルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド中の0.3MのLiTFSI(N1222−OTMS−TFSI+0,3MLiTFSI)のサイクリックボルタンメトリー(CV)
20mlのイオン液体中に1.7225gのLiTFSIを混合することにより、実施例3で合成したイオン液体中0.3モル濃度LiTFSIの溶液を調製し、電気化学セルに満たした。これを、作用電極として白金線、対極としてリチウム金属シートおよび参照極としてもう1つのリチウム金属シートを有する3極式電池とした。1mV/sの速度でLi電位基準0〜6Vの間でサイクリックボルタンメトリー曲線を測定した(図12)。
(実施例25)
電解質の黒鉛との適合性
実施例24で合成した電解質は、黒鉛電極を有する3極式電気化学セルで評価した。アノード材料は、実施例14に記載の方法で作製した。リチウム金属シート2枚を参照極および対極として使用し、黒鉛を作用電極として使用した。該電池を電流速度C/24でLi電位基準0〜2.5Vの間でサイクルさせた(図13)。黒鉛へのLiインターカレーションにより、首尾よく、クーロン効率は、初回サイクルで低いものの、その後サイクル数を重ねて、6回目のサイクル以降、C/24で84%に増加し、192mAh/gの可逆容量が得られた。
(実施例26)
電解質のSiOとの適合性
実施例11で合成した電解質は、SiO電極を用いた3極式電気化学セルで評価した。負極は、カーボンブラックおよびアルギン酸塩をN−メチルピロリドン(NMP)中83:2:15(重量%比)の混合により調製し、該混合物を銅電流コレクタに被膜した。該電極材料を使用前に12時間真空乾燥器中150℃で乾燥した。リチウム金属シート2枚を参照極および対極として使用し、黒鉛を作用電極として使用した。該電池は、電流速度C/24および60℃でLi電位基準0.05〜2.5Vの間でサイクルさせた(図14)。SiO材料へのリチウム挿入は、首尾よく、C/24で初回サイクルにおいて良好なクーロン効率(99%)および可逆容量520mAh/gが観察された。
(実施例27)
粘度測定
上記イオン液体の粘度をPP50−SN5204測定器具を装備したアントンパールPhysicaMCR301装置で測定した。高温において、全てのイオン液体で、比較可能な粘度を得た(図15)。粘度は次の順で増加した:N1122−、N1112−、N1132−、N1222−、N2222−OTMS−TFSI。
(実施例28)
電導度測定
イオン化合物/液体の電導度を、Materials Mates Italia S.r.L.製MMulty Conductimeterを使用して、室温および90℃で測定した。電導度測定は、次の順で種々のイオン化合物またはイオン液体の電導度を示す(図16):N1122−>N1112−>N2222−>N1222−>N1132−OTMS−TFSI。24℃において、最高値は、1.38x10−3(N1122)および最低値は、1.05x10−3(N1132)であった。60℃において、最高値は、4.41x10−3(N1122)および最低値は、3.83x10−3(N1132)であった。
(実施例29)
N−エチル−N−(2−エチルジメチルシロキシ)エチル)−N,N−ジメチルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド(N1122−OEDMS−TFSIの合成

実施例4aおよび実施例4bに記載の方法と同様に合成した91g(0.228mol)の純N−エチル−N−2−ヒドロキシエチル−N,N−ジメチルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミドを入れた250ml丸底フラスコに、45g(0.282mol)の(ジメチルアミノ)エチルジメチルシランを、窒素緩流が生成アンモニアを容易に除去する器具を通過させながら、室温で添加した。イオン液体中にシランの細かい乳濁液が生成するように、該混合物を60〜70℃までゆっくり加熱し撹拌した。温度が60℃に達したときに、活発なジエチルアミンガスの発生が観察された。このガス発生は数分続いた。活発な反応が終わった後、該混合物を5時間加熱撹拌した。その後、所望生成物の上に分離層になり残ったシランを、高真空下蒸発させた。生成物をCHClに溶解し、活性炭を添加した。該混合物を沸点まで加熱し、室温に冷やし、濾過後、再度蒸発させた。それから、丸底フラスコを6回アルゴンで充填し、再度排気した。この操作の間に生成物を70℃に加熱した。最終的に、装置を真空下に冷却してアルゴンを充填した。このようにして、100g(90%)の表題化合物を得た。
HNMR(300MHz、クロロホルム−d)δ/ppm:0.08(s、6H)、0.56(q、J=8.19Hz、2H)、0.84〜0.95(m、3H)、1.34(t、J=7.32Hz、3H)、3.07(s、6H)、3.34〜3.40(m、2H)、3.44(q、J=7.60Hz、2H)、3.91〜4.00(m、2H)。
13CNMR(75MHz、クロロホルム−d)δ/ppm:−3.43(s)、6.27(s)、7.28(s)、7.97(s)、50.97(t、J=3.45Hz)、56.59(s)、61.49(br.s.)、64.58(br.s.)、119.67(q、 J=320.70Hz)。
19FNMR(470MHz、クロロホルム−d)δ/ppm:−78.90(s)。
(実施例30)
N−エチル−N−(2−(トリエチルシロキシ)エチル)−N,N−ジメチルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド(N1122−OTES−FTFSI)の合成

実施例4aおよび実施例4bの記載と同様の方法により合成した80g(0.201mol)の純N−エチル−N−2−ヒドロキシエチル−N,N−ジメチルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミドを入れた250ml丸底フラスコに、40g(0.251mol)の(ジメチルアミノ)トリエチルシランを、窒素緩流が生成アンモニアを容易に除去する器具を通過させながら、室温で添加した。イオン液体中にシランの細かい乳濁液が生成するように、該混合物を60〜70℃までゆっくり加熱し撹拌した。温度が60℃に達したときに、活発なジメチルアミンガスの発生が観察された。このガス発生は数分続いた。活発な反応が終わった後、該混合物を4時間加熱撹拌した。その後、所望生成物の上に分離層になり残ったシランを、高真空下蒸発させた。生成物をCHClに溶解し、活性炭を添加した。該混合物を沸点まで加熱し、室温に冷やし、濾過後、再度蒸発させた。それから、丸底フラスコを6回アルゴンで充填し、再度排気した。この操作の間に生成物を70℃に加熱した。最終的に、装置を真空下に冷却してアルゴンを充填した。このようにして、102g(100%)の表題化合物を得た。
HNMR(300MHz、クロロホルム−d)δ/ppm:0.58(q、J=8.20Hz、6H)、0.90(t、J=8.20Hz、9H)、1.33(t、J=7.32Hz、3H)、3.06(s、6H)、3.35〜3.39(m、2H)、3.44(q、J=7.02Hz、2H)、3.90〜4.04(m、2H)。
13CNMR(75MHz、クロロホルム−d)δ/ppm:3.73(s)、6.32(s)、7.92(s)、50.91(t、J=3.45Hz)、56.88(s)、61.45(br.s)、64.58(br.s.)、119.65(q、J=321.90Hz)。
19FNMR(470MHz、クロロホルム−d)δ/ppm:−78.90(s)。
(実施例31)
N−エチル−N−(2−(トリメチルシロキシ)エチル)−N,N−ジメチルアンモニウムN−フルオロスルホニル−トリフルオロメタンスルホニルアミド(N1122−OTMS−FTFSI)の合成

a)N−エチル−N−2−ヒドロキシエチル−N,N−ジメチルアンモニウムN−フルオロスルホニル−トリフルオロメタンスルホニルアミド
250ml丸底フラスコ中で、70mlのミリQ水中の60g(0.304mol)のN−エチル−N−2−ヒドロキシエチル−N,N−ジメチルアンモニウム臭化物(実施例4aと同様の方法により合成)および80mlのミリQ水中の83g(0.309mol)のリチウムN−フルオロスルホニル−トリフルオロメタンスルホニルアミド(Li−FTFSI)を一緒にして激しく撹拌しながら混合した。一度、相分離が起こったが、室温で更に4時間撹拌を続けた。それから、100mlのCHClを添加し、相分離した。水層を50mlのCHClで抽出し、1つに合わせた有機相を、100mlのミリQ水で6回洗浄した。透明無色の溶液を得た。この溶液を丸底フラスコに注ぎ入れた。溶媒を、ロータリーエバポレーターで留去し、次いで60℃高真空下で除去した。このようにして、89g(84%)の精製したN−エチル−N−2−ヒドロキシエチル−N,N−ジメチルアンモニウムN−フルオロスルホニル−トリフルオロメタンスルホニルアミドを得た。
HNMR(300MHz,DMSO−d)δ/ppm:1.15〜1.34(m)、3.03(s)、3.32〜3.44(m)、3.83(s)、5.27(t、J=4.97Hz)。
13CNMR(75MHz、DMSO−d)δ/ppm:7.87(s)、49.98〜50.75(m)、55.09(s)、59.44〜60.37(m)、64.02〜64.60(m)、119.74(qd、J=321.90、2.30Hz)。
19FNMR(470MHz、DMSO−d)δ/ppm:−77.98(d、J=3.58Hz、3F)、57.57(q、J=3.97Hz、1F)。
b)N−エチル−N−(2−(トリメチルシロキシ)エチル)−N,N−ジメチルアンモニウムN−フルオロスルホニル−トリフルオロメタンスルホニルアミド
89g(0.255mol)の純N−エチル−N−2−ヒドロキシエチル−N,N−ジメチルアンモニウムN−フルオロスルホニル−トリフルオロメタンスルホニルアミド(FTFSI)を入れた250ml丸底フラスコに、32g(0.20mol)のヘキサメチルジシラザン(HMDS)を、窒素緩流が生成アンモニアを容易に除去する器具を通過させながら、室温で添加した。イオン液体中にHMDSの細かい乳濁液が生成するように、この混合物を50℃までゆっくり加熱して撹拌した。温度が50℃に達したときに、活発なアンモニアガスの発生が観察された。このガス発生は数分続いた。活発な反応が終わった後、該混合物を4時間加熱撹拌した。その後、所望生成物の上に分離層になり残ったHMDSを、高真空下蒸発させた。それから、丸底フラスコを6回アルゴンで充填し、再度排気した。この操作の間に生成物を70℃に加熱した。最終的に、装置を真空下に冷却してアルゴンを充填した。このようにして、106g(99%)の表題化合物を得た。
HNMR(300MHz、クロロホルム−d)δ/ppm:0.12(s、9H)、1.36(t、J=7.02Hz、3H)、3.08 (s、6H)、3.36〜3.41(m、2H)、3.45(q、J=7.60Hz、4H)、3.97(s、2H)。
13CNMR(75MHz、クロロホルム−d)δ/ppm:−1.07(s)、8.15(s)、51.17(t、J=3.45Hz)、56.56(s)、61.65(br.s.)、64.75(br.s.)、119.87(qd、J=321.90、2.30Hz)。
19FNMR(470MHz、クロロホルム−d)δ/ppm:−78.07(d、J=4.17Hz、3F)、57.52(q、J=3.98 Hz、1F)。
(実施例32)
N−エチル−N−(2−(トリメチルシロキシ)エチル)−N,N−ジメチルアンモニウムビス(フルオロスルホニル)アミド(N1122−OTMS−FSI)の合成

a)N−エチル−N−2−ヒドロキシエチル−N,N−ジメチルアンモニウムビス(フルオロスルホニル)アミド
250ml丸底フラスコ中で、70mlの乾燥MeCN中の53g(0.268mol)のN−エチル−N−2−ヒドロキシエチル−N,N−ジメチルアンモニウム臭化物(実施例4aと同様の方法により合成)および80mlの乾燥MeCN中の60g(0.273mol)のカリウムビス(フルオロスルホニル)アミド(K−FSI)を激しく撹拌しながら混合した。一度、相分離が起こったが、室温で更に一夜撹拌を続けた。それから、100mlのCHClを添加して、濾過によりKBrを取り除いた。濾液を50mlのCHClで3回洗浄した。透明無色の溶液を得て、これを丸底フラスコに注ぎ入れた。溶媒をロータリーエバポレーターで留去し、65℃で高真空下にした。このようにして、74g(93%)のゲル状結晶の精製したN−エチル−N−2−ヒドロキシエチル−N,N−ジメチルアンモニウムビス(フルオロスルホニル)アミドを得た。
HNMR(300MHz、DMSO−d)δ/ppm:1.24(tt、J=7.30、1.80Hz、3H)、3.02(s、6H)、3.31〜3.44(m、4H)、3.73〜3.90 (m、2H)、5.27(t、J=4.97Hz、6H)。
13CNMR(75MHz、DMSO−d)δ/ppm:7.87(s)、50.28(t、J=3.40Hz)、54.96(s)、59.78(t、J=2.30Hz)、64.16(t、J=2.30Hz)。
19FNMR(470MHz、DMSO−d)δ/ppm:53.18(s)。
b)N−エチル−N−(2−(トリメチルシロキシ)エチル)−N,N−ジメチルアンモニウムビス(フルオロスルホニル)アミド
80mlの乾燥MeCNに溶解した74g(0.237mol)のN−エチル−N−2−ヒドロキシエチル−N,N−ジメチルアンモニウムビス(フルオロスルホニル)アミドを入れた250ml丸底フラスコに、32g(0.20mol)のヘキサメチルジシラザン(HMDS)を、窒素緩流が生成アンモニアを容易に除去する器具を通過させながら、室温で添加した。該混合物を40℃までゆっくり加熱して撹拌した。始めて直ぐに活発なアンモニアガスの発生が観察され、数分続いた。活発な反応が終わった後、該混合物を4時間加熱撹拌した。その後、揮発物を高真空下蒸発させた。残ったものをCHClに溶解し、活性炭で精製し、濾過して蒸発させた。それから、丸底フラスコを6回アルゴンで充填し、再度排気した。この操作の間に生成物を70℃に加熱した。最終的に、装置を真空下に冷却してアルゴンを充填した。このようにして、74g(85%)の無色液体の表題化合物を得た。
HNMR(300MHz、クロロホルム−d)δ/ppm:0.08(s、9H)、1.32(t、J=7.32Hz、3H)、3.03 (s、 6H)、3.30〜3.35(m、2H)、3.39(q、J=7.20Hz、2H)、3.93(dt、J=4.24、2.27Hz、2H)。
13CNMR(75MHz、クロロホルム−d)δ/ppm:−1.31(s)、7.88(s)、50.91(t、J=3.45Hz)、56.25(s)、61.36(br.s.)、64.52(t、J=2.30Hz)。
19FNMR(470 MHz、クロロホルム−d)δ/ppm:53.04(s)。
(実施例33)
N−エチル−N−(3−(トリメチルシロキシ)プロピル)−N,N−ジメチルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド(N1123−OTMS−TFSI)の合成

a)N−エチル−N−(3−ヒドロキシプロピル)−N,N−ジメチルアンモニウム塩化物
マグネチックスターラを装備した300mlの316SSオートクレーブ中に、94.5g(1mol)の3−クロロプロパノールおよび74g(1.01mol)のエチルジメチルアミンを入れた。該混合物を、ホットプレート付スターラーを用いて、24時間140℃まで撹拌加熱した。冷却後、得られたろう状固体物を350mlのメタノールに溶解し、活性炭と一緒に沸騰させ、冷却し濾過した。濾液を蒸発乾固し、無色結晶固体の生成物を単離した。全てを合わせて、150g(90%)のN−エチル−N−(3−ヒドロキシプロピル)−N,N−ジメチルアンモニウム塩化物を得た。
HNMR(300MHz、DMSO−d)δ/ppm1.21(t、J=7.02Hz、3H)、1.71〜1.88(m、2H)、3.02(s、6H)、3.30〜3.40(m、4H)、3.39〜3.49(m、2H)、5.13(t、J=5.27Hz、1H)。
13CNMR(75MHz、DMSO−d)δ/ppm:7.79(s)、25.29(s)、49.47(t、J=3.45Hz)、57.48(s)、58.26(br.s.)、60.36(br.s.)。
b)N−エチル−N−(2−ヒドロキシプロピル)−N,N−ジメチルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド
250ml丸底フラスコ中で、70mlのミリQ水中の60g(0.358mol)のN−エチル−N−(3−ヒドロキシプロピル)−N,N−ジメチルアンモニウム塩化物および80mlのミリQ水中の104g(0.360mol)のリチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド(LiTFSI)を一緒にして激しく撹拌しながら混合した。一度、相分離が起こったが、室温で更に4時間撹拌を続けた。それから、100mlのCHClを添加し、相分離した。水層を50mlのCHClで抽出し、1つに合わせた有機相を、100mlのミリQ水で6回洗浄した。透明無色の溶液を得た。この溶液を丸底フラスコに注ぎ入れた。溶媒を、ロータリーエバポレーターで留去し、次いで60℃高真空下で除去した。このようにして、111.2g(75%)の精製した無色液体のN−エチル−N−(2−ヒドロキシプロピル)−N,N−ジメチルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミドを得た。
HNMR(300MHz、DMSO−d)δ/ppm:1.18〜1.30(m、3H)、1.73〜1.86(m、2H)、2.98(s、6H)、3.22〜3.39(m、4H)、3.49(q、J=5.27Hz、2H)、4.78(t、J=4.68Hz、1H)。
13CNMR(75MHz、DMSO−d)δ/ppm:7.68(s)、25.31(s)、49.20〜49.78(m)、57.66(s)、58.56(br.s.)、60.07〜61.14(m)、119.58(q、J=321.80Hz)。
19FNMR(470MHz、DMSO−d)δ/ppm:−78.78(s)。
c)N−エチル−N−(3−トリメチルシロキシプロピル)−N,N−ジメチルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド
111g(0.269mol)の純N−エチル−N−(3−ヒドロキシプロピル)−N,N−ジメチルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミドを入れた250ml丸底フラスコに、43g(0.266mol)のヘキサメチルジシラザン(HMDS)を、窒素緩流が生成アンモニアを容易に除去する器具を通過させながら、室温で添加した。イオン液体中にHMDSの細かい乳濁液が生成するように、この混合物を60〜70℃までゆっくり加熱して撹拌した。温度が60℃に達したときに、活発なアンモニアガスの発生が観察された。このガス発生は数分続いた。活発な反応が終わった後、該混合物を4時間加熱撹拌した。その後、所望生成物の上に分離層になり残ったHMDSを、高真空下蒸発させた。それから、丸底フラスコを6回アルゴンで充填し、再度排気した。この操作の間に生成物を70℃に加熱した。最終的に、装置を真空下に冷却してアルゴンを充填した。このようにして、129g(99%)の無色液体の表題化合物を得た。
HNMR(300MHz、クロロホルム−d)δ/ppm:0.04(s、9H)、1.30(t、J=7.02Hz、3H)、1.78〜1.97(m、2H)、2.96(s、6H)、3.23−3.37(m、4H)、3.60(t、J=5.56Hz、2H)。
13CNMR(75MHz、クロロホルム−d)δ/ppm:−1.12(s)、7.65(s)、25.37(s)、50.29(t、J=3.45Hz)、58.16(s)、59.61(br.s.)、61.41(br。s.)、119.61(q、J=321.90Hz)。
19FNMR(470MHz、クロロホルム−d)δ/ppm:−79.22(s)。
(実施例34)
N−エチル−N−(4−(トリメチルシロキシ)ブチル)−N,N−ジメチルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド(N1124−OTMS−TFSI)の合成

a)N−エチル−N−(4−ヒドロキシブチル)−N,N−ジメチルアンモニウム塩化物
マグネチックスターラを装備した300mlの316SSオートクレーブ中に、50gの86%(0.391mol)4−クロロブタノールおよび34g(0.469mol)のエチルジメチルアミンを入れた。該混合物を、ホットプレート付スターラーを用いて、30時間150℃まで撹拌加熱した。冷却後、得られたろう状固体物を水に溶解し、四級化していないアミンを取り除くためにNaOHで塩基性化し、最終的に、蒸発乾固した。NaClおよびNaOHを含む混合物として、全体で56.8g(約70%)のN−エチル−N−(4−ヒドロキシブチル)−N,N−ジメチルアンモニウム塩化物を得た。
HNMR(300MHz、DMSO−d)δ/ppm1.09−1.25(m、3H)、1.27−1.46(m、2H)、1.64(dt、J=16.09、7.75Hz、2H)、2.99(s、6H)、3.20〜3.45(m、6H)、4.40(br.s、1H)。
13CNMR(75MHz、DMSO−d)δ/ppm:7.96(s)、18.93(s)、30.14(s)、49.43(br.s.)、58.32(br.s.)、60.15(s)、62.53(s)。
b)N−エチル−N−(4−ヒドロキシブチル)−N,N−ジメチルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド
250ml丸底フラスコ中で、上記a)で得られた混合物の水溶液をHClで中和し、80mlのミリQ水中の87g(0.300mol)のリチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド(LiTFSI)溶液と激しく撹拌しながら混合した。一度、相分離が起こったが、室温で更に4時間撹拌を続けた。それから、100mlのCHClを添加し、相分離した。水層を50mlのCHClで抽出し、1つに合わせた有機相を、100mlのミリQ水で6回洗浄した。透明無色の溶液を得た。それを丸底フラスコに注ぎ入れた。溶媒を、ロータリーエバポレーターで留去し、次いで60℃高真空下で除去した。このようにして、53.29gの精製した無色液体のN−エチル−N−(4−ヒドロキシブチル)−N,N−ジメチルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミドを得た。
HNMR(300MHz、DMSO−d)δ/ppm:1.15−1.30(m、3H)、1.37−1.58(m、2H)、1.61−1.80(m、2H)、2.89〜3.00(m、6H)、3.16〜3.38(m、4H)、3.41〜3.52(m、2H)、4.55(s、1H)。
13CNMR(75MHz、DMSO−d)δ/ppm:18.70(s)、29.06(s)、48.98〜49.88(m)、58.55(br.s.)、59.91(s)、62.45(br.s.)、70.05(s)、119.56(q、J=321.90Hz)。
19FNMR(470MHz、DMSO−d)δ/ppm:−75.36(s)。
c)N−エチル−N−(4−トリメチルシロキシブチル)−N,N−ジメチルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド
53g(0.125mol)の純N−エチル−N−(4−ヒドロキシブチル)−N,N−ジメチルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド(TFSI)を入れた250ml丸底フラスコに、20g(0.125mol)のヘキサメチルジシラザン(HMDS)を、窒素緩流が生成アンモニアを容易に除去する器具を通過させながら、室温で添加した。イオン液体中にHMDSの細かい乳濁液が生成するように、この混合物を60〜70℃までゆっくり加熱して撹拌した。温度が60℃に達したときに、活発なアンモニアガスの発生が観察された。このガス発生は数分続いた。活発な反応が終わった後、該混合物を4時間加熱撹拌した。その後、揮発物を高真空下蒸発させた。残ったものをCHClに溶解し、活性炭で精製し、濾過して蒸発させた。それから、丸底フラスコを6回アルゴンで充填し、再度排気した。この操作の間に生成物を70℃に加熱した。最終的に、装置を真空下に冷却してアルゴンを充填した。このようにして、47g(74%)の無色液体の表題化合物を得た。
HNMR(300MHz、クロロホルム−d)δ/ppm:0.07(s、9H)、1.33(t、J=7.32Hz、3H)、1.46〜1.64(m、2H)、1.67〜1.86(m、2H)、2.98(s、6H)、3.15〜3.28(m、2H)、3.34(q、J=7.02Hz、2H)、3.60(t、J=5.85Hz、2H)。
13CNMR(75MHz、クロロホルム−d)δ/ppm:−0.83(s)、7.83(s)、19.26(s)、28.49(s)、50.13(br.s.)、59.70(br.s.)、61.04(s)、63.54(br.s)、119.69(q、J=321.90Hz)。
19FNMR(470MHz、クロロホルム−d)δ/ppm:−79.16(s)。
(実施例35)
N−エチル−N−(6−(トリメチルシロキシ)ヘキシル)−N,N−ジメチルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド(N1126−OTMS−TFSI)の合成

a)N−エチル−N−(6−ヒドロキシヘキシル)−N,N−ジメチルアンモニウム塩化物
マグネチックスターラを装備した300mlの316SSオートクレーブ中に、25g(0.183mol)の6−クロロヘキサノール、16g(0.220mol)のエチルジメチルアミンおよび50mgのKIを入れた。該混合物を、ホットプレート付スターラーを用いて、72時間100℃まで撹拌加熱した。冷却後、得られたろう状固体物を粉砕し、80℃/1.4mmHgで排気し、最終的に、MeOH/アセトンから再結晶化した。全部で、38g(99%)のN−エチル−N−(6−ヒドロキシヘキシル)−N,N−ジメチルアンモニウム塩化物を得た。
HNMR(300MHz、DMSO−d)δ/ppm1.21(t、J=7.10Hz、3H)、1.24〜1.48(m、6H)、1.55〜1.71(m、2H)、3.00(s、6H)、3.18〜3.30(m、2H)、3.30〜3.43(m、4H)、4.55(t、J=4.97Hz、1H)。
13CNMR(75MHz、DMSO−d)δ/ppm:7.82(s)、21.66(br.s)、25.00(br.s)、25.67(br.s)、32.17(s)、49.30(t、J=3.40Hz)、58.29(br.s.)、60.38(s)、62.21(br.s.)。
b)N−エチル−N−(6−ヒドロキシヘキシル)−N,N−ジメチルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド
250ml丸底フラスコ中で、30g(0.143mol)のN−エチル−N−(6−ヒドロキシヘキシル)−N,N−ジメチルアンモニウム塩化物および80mlのミリQ水中の43g(0.150mol)のリチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド(LiTFSI)溶液を一緒にして、激しく撹拌しながら混合した。一度、相分離が起こったが、室温で更に4時間撹拌を続けた。それから、100mlのCHClを添加し、相分離した。水層を50mlのCHClで抽出し、1つに合わせた有機相を、100mlのミリQ水で6回洗浄した。透明無色の溶液を得た。この溶液を丸底フラスコに注ぎ入れた。溶媒を、ロータリーエバポレーターで留去し、次いで60℃高真空下で除去した。このようにして、58.4g(90%)の精製した液体のN−エチル−N−(6−ヒドロキシヘキシル)−N,N−ジメチルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミドを得た。
HNMR(300MHz、DMSO−d)δ/ppm:1.23(t、J=7.20Hz、3H)、1.27〜1.51(m、6H)、1.55〜1.76(m、2H)、2.96(s、6H)、3.14〜3.25(m、2H)、3.31(q、J=7.02Hz、2H)、3.40(t、J=6.15Hz、2H)、4.36(br.s.、1H)。
13CNMR(75MHz、DMSO−d)δ/ppm:7.70(s)、21.74(s)、25.03(s)、25.67(s)、32.23(s)、48.68〜49.74(m)、58.58(br.s.)、60.55(s)、62.53(br.s.)、119.56(q、J=321.90Hz).
19FNMR(470MHz、DMSO−d)δ/ppm:−78.79(s)。
c)N−エチル−N−(6−トリメチルシロキシヘキシル)−N,N−ジメチルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド
58g(0.129mol)の純N−エチル−N−(4−ヒドロキシブチル)−N,N−ジメチルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド(TFSI)を入れた250ml丸底フラスコに、20g(0.129mol)のヘキサメチルジシラザン(HMDS)を、窒素緩流が生成アンモニアを容易に除去する器具を通過させながら、室温で添加した。イオン液体中にHMDSの細かい乳濁液が生成するように、この混合物を60〜70℃までゆっくり加熱して撹拌した。温度が60℃に達したときに、活発なアンモニアガスの発生が観察された。このガス発生は数分続いた。活発な反応が終わった後、該混合物を4時間加熱撹拌した。その後、揮発物を高真空下蒸発させた。残ったものをCHClに溶解し、活性炭で精製し、濾過して蒸発させた。それから、丸底フラスコを6回アルゴンで充填し、再度排気した。この操作の間に生成物を70℃に加熱した。最終的に、装置を真空下に冷却してアルゴンを充填した。このようにして、63g(93%)の粘性液体の表題化合物を得た。
HNMR(300MHz、クロロホルム−d)δ/ppm:0.05(s、9H)、1.22〜1.41(m、7H)、1.47(d、J=7.02Hz、2H)、1.55〜1.75(m、2H)、2.96(s、6H)、3.10〜3.22(m、2H)、3.31(q、J=7.00Hz、2H)、3.52(t、J=6.15Hz、2H)。
13CNMR(75MHz、クロロホルム−d)δ/ppm:−0.76(s)、7.82(s)、22.31(s)、25.09(s)、25.62(s)、32.10(s)、50.01(br.s.)、59.68(br.s)、61.99(s)、63.83(br.s)、119.64(q、J=321.90Hz)。
19FNMR(470MHz、クロロホルム−d)δ/ppm:−79.16(s)。
(実施例36)
N−エチル−N−2−(2−(トリメチルシロキシ)エトキシ)エチル−N,N−ジメチルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド(N1122O2−OTMS−TFSI)の合成

a)N−エチル−N−2−(2−ヒドロキシエトキシ)エチル−N,N−ジメチルアンモニウム塩化物
マグネチックスターラを装備した300mlの316SSオートクレーブ中に、50g(0.401mol)の2−クロロエチル2−ヒドロキシエチルエーテル、35g(0.482mol)のエチルジメチルアミンおよび50mgのKIを入れた。該混合物を、ホットプレート付スターラーを用いて、22時間150℃まで撹拌加熱した。冷却後、得られた非常に高粘性の液体(ハチミツのような粘りを有する)を水に溶解し、NaOHで塩基性化し、蒸発させて、CHClに溶解した。それから、活性炭を添加した。該混合物を一夜撹拌し、濾過して蒸発させた。全部で、72g(91%)の無色のN−エチル−N−2−(2−ヒドロキシエトキシ)エチル−N,N−ジメチルアンモニウム塩化物を得た。
HNMR(300MHz、DMSO−d)δ/ppm1.13〜1.28(m、3H)、3.03〜3.18(m、6H)、3.39〜3.51(m、6H)、3.58(d、J=4.10Hz、2H)、3.81(br.s.、2H)、5.06(br.s.、1H)。
13CNMR(75MHz、DMSO−d)δ/ppm:8.02(s)、50.08(br.s.)、59.45(s)、59.75(s)、61.60(s)、63.87(s)、72.08(s)。
b)N−エチル−N−2−(2−ヒドロキシエトキシ)エチル−N,N−ジメチルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド
250ml丸底フラスコ中で、47g(0.290mol)のN−エチル−N−2−(2−ヒドロキシエトキシ)エチル−N,N−ジメチルアンモニウム塩化物および80mlのミリQ水中の100g(0.348mol)のリチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド(LiTFSI)溶液を一緒にして、激しく撹拌しながら混合した。一度、相分離が起こったが、室温で更に4時間撹拌を続けた。それから、100mlのCHClを添加し、相分離した。水層を50mlのCHClで抽出し、1つに合わせた有機相を、100mlのミリQ水で6回洗浄した。透明の溶液を得た。それを丸底フラスコに注ぎ入れた。溶媒を、ロータリーエバポレーターで留去し、次いで60℃高真空下で除去した。このようにして、121.8g(92%)の精製した液体のN−エチル−N−2−(2−ヒドロキシエトキシ)エチル−N,N−ジメチルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミドを得た。
HNMR(300MHz、DMSO−d)δ/ppm:1.26(t、J=7.32Hz、3H)、3.04(s、6H)、3.41(q、J=7.41Hz、2H)、3.46〜3.62(m、6H)、3.83(br.s.、2H)、4.64(t、J=4.97Hz、1H)。
13CNMR(75MHz、DMSO−d)δ/ppm:7.81(s)、50.36(br.s)、60.15(br.s)、62.16(br.s.)、64.01(s)、72.39(s)、119.68(q、J=321.90Hz)。
19FNMR(470MHz、DMSO−d)δ/ppm:−79.10(s)。
c)N−エチル−N−2−(2−(トリメチルシロキシ)エトキシ)エチル−N,N−ジメチルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド
121.8g(0.275mol)の純N−エチル−N−2−(2−ヒドロキシエトキシ)エチル−N,N−ジメチルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド(TFSI)を入れた250ml丸底フラスコに、44g(0.273mol)のヘキサメチルジシラザン(HMDS)を、窒素緩流が生成アンモニアを容易に除去する器具を通過させながら、室温で添加した。イオン液体中にHMDSの細かい乳濁液が生成するように、この混合物を60〜70℃までゆっくり加熱して撹拌した。温度が60℃に達したときに、活発なアンモニアガスの発生が観察された。このガス発生は数分続いた。活発な反応が終わった後、該混合物を4時間加熱撹拌した。その後、揮発物を高真空下蒸発させた。残ったものをCHClに溶解し、活性炭で精製し、濾過して蒸発させた。それから、丸底フラスコを6回アルゴンで充填し、再度排気した。この操作の間に生成物を70℃に加熱した。最終的に、装置を真空下に冷却してアルゴンを充填した。このようにして、140g(99%)の粘性液体の表題化合物を得た。
HNMR(300MHz、クロロホルム−d)δ/ppm:0.06(s、9H)、1.33(t、J=7.02Hz、3H)、3.03〜3.11(m、6H)、3.37〜3.49(m、4H)、3.49〜3.56(m、2H)、3.62〜3.71(m、2H)、3.85(br.s.、2H).
13CNMR(75MHz、クロロホルム−d)δ/ppm:−0.88(s)、7.97(s)、50.96(br.s.)、61.30(s)、61.42(br.s)、62.72(br.s.)、64.41(s)、72.45(s)、119.64(q、J=321.90Hz)。
19FNMR(470MHz、クロロホルム−d)δ/ppm:−79.18(s)。
(実施例37)
3−メチル−1−(2−(トリメチルシロキシ)エチル)イミダゾリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド(Im12−OTMS−TFSI)の合成

a)1−(2−ヒドロキシエチル)−3−メチルイミダゾリウム臭化物
マグネチックスターラを装備した250ml丸底フラスコ中に、49g(0.597mol)の1−メチルイミダゾールを入れた。これらを60mlのMeCNに溶解した。この溶液に、76g(0.610mol)の2−ブロモエタノールを15分で滴下した。該混合物を、完全に相分離する徴候が観察されないで、48時間撹拌しながら還流した。該混合物を2時間還流加熱して後、室温まで冷却した。溶媒を蒸発させ、得られた固体物を、酢酸エチル(AcOEt)およびアセトンの1:1混合物中にメタノール溶液を注ぐことにより、精製した。得られた白色粉末を濾過し、新鮮な酢酸エチルで洗浄して、真空乾燥した。125g(95%)の1−(2−ヒドロキシエチル)−3−メチルイミダゾリウム臭化物を得た。
HNMR(300MHz、DMSO−d)δ/ppm:3.70(q、J=5.13Hz、2H)、3.88(s、3H)、4.24(t、J=4.94Hz、2H)、5.15(t、J=5.31Hz、1H)、7.76(d、J=1.46Hz、1H)、7.79(t、J=1.65Hz、1H)、9.23(s、1H)。
13CNMR(75MHz、DMSO−d)δ/ppm:35.73(s)、51.53(s)、59.26(s)、122.61(s)、123.28(s)、136.76(s)。
b)1−(2−ヒドロキシエチル)−3−メチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド
250ml丸底フラスコ中で、59g(0.285mol)の1−(2−ヒドロキシエチル)−3−メチルイミダゾリウム臭化物水溶液および80mlのミリQ水中の82.3g(0.287mol)のリチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド(LiTFSI)溶液を一緒にして、激しく撹拌しながら混合した。一度、相分離が起こったが、室温で更に4時間撹拌を続けた。それから、100mlのCHClを添加し、相分離した。水層を50mlのCHClで抽出し、1つに合わせた有機相を、100mlのミリQ水で6回洗浄した。透明の溶液を得た。それを丸底フラスコに注ぎ入れた。溶媒を、ロータリーエバポレーターで留去し、次いで60℃高真空下で除去した。このようにして、69g(60%)の精製した無色液体の1−(2−ヒドロキシエチル)−3−メチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミドを得た。
HNMR(300MHz、DMSO−d)δ/ppm:3.74(q、J=4.88Hz、2H)、3.86(s、3H)、4.16〜4.25(m、2H)、5.18(t、J=5.13Hz、1H)、7.63(t、J=1.65Hz、1H)、7.68(t、J=1.83Hz、1H)、9.05(s、1H)。
13CNMR(75MHz、DMSO−d)δ/ppm13CNMR(75MHz、DMSO−d)δ ppm 35.73(s、9C)、51.85(s、12C)、59.49(s、12C)、119.68(q、J=321.80Hz、8C)、122.77(s、12C)、123.43(s、12C)、137.01(s、8C)。
c)3−メチル−1−(2−(トリメチルシロキシ)エチル)イミダゾリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド
68g(0.167mol)の純1−(2−ヒドロキシエチル)−3−メチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド(TFSI)を入れた250ml丸底フラスコに、25.8g(0.160mol)のヘキサメチルジシラザン(HMDS)を、窒素緩流が生成アンモニアを容易に除去する器具を通過させながら、室温で添加した。イオン液体中にHMDSの細かい乳濁液が生成するように、この混合物を50〜60℃までゆっくり加熱して撹拌した。温度が60℃に達したときに、活発なアンモニアガスの発生が観察された。このガス発生は数分続いた。活発な反応が終わった後、該混合物を4時間加熱撹拌した。その後、揮発物を高真空下蒸発させた。残ったものをCHClに溶解し、活性炭で精製し、濾過して蒸発させた。それから、丸底フラスコを6回アルゴンで充填し、再度排気した。この操作の間に生成物を70℃に加熱した。最終的に、装置を真空下に冷却してアルゴンを充填した。このようにして、70g(88%)の粘性液体の表題化合物を得た。
HNMR(300MHz、クロロホルム−d)δ/ppm:0.03(s、9H)、3.79〜3.86(m、2H)、3.89(s、3H)、4.17〜4.29(m、2H)、7.31(t、J=1.83Hz、1H)、7.37(t、J=1.65Hz、1H)、8.59(br.s、1H)。
13CNMR(75MHz、クロロホルム−d)δ/ppm:−1.21(s)、36.03(s)、52.01(s)、60.46(s)、119.63(q、J=320.70Hz)、123.06(s)、123.15(s)、135.97(s)。
(実施例38)
N−エチル−N−(2−(エチルジメチルシロキシ)エチル)−N,N−ジメチルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド(N1122−OEDMS−TFSI)のサイクリックボルタンメトリー
実施例29で合成した化合物を電気化学セルに満たした。これを、作用電極として白金線、対極としてリチウム金属(シート状)および参照極としてもう1つのリチウム金属シートを有する3極式電池とした。1mV/sの速度でLi電位基準0〜6Vの間でサイクリックボルタンメトリー曲線を測定した(図17)。
(実施例39)
N−エチル−N−(2−(トリエチルシロキシ)エチル)−N,N−ジメチルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド(N1122−OTES−TFSI)のサイクリックボルタンメトリー
実施例30で合成した化合物を電気化学セルに満たした。これを、作用電極として白金線、対極としてリチウム金属(シート状)および参照極としてもう1つのリチウム金属シートを有する3極式電池とした。1mV/sの速度でLi電位基準0〜6Vの間でサイクリックボルタンメトリー曲線を測定した(図18)。
(実施例40)
N−エチル−N−(2−(トリメチルシロキシ)エチル)−N,N−ジメチルアンモニウムN−フルオロスルホニル−トリフルオロメタンスルホニルアミド(N1122−OTMS−FTFSI)のサイクリックボルタンメトリー
実施例31で合成した化合物を電気化学セルに満たした。これを、作用電極として白金線、対極としてリチウム金属(シート状)および参照極としてもう1つのリチウム金属シートを有する3極式電池とした。1mV/sの速度でLi電位基準0〜6Vの間でサイクリックボルタンメトリー曲線を測定した(図19)。
(実施例41)
N−エチル−N−(2−(トリメチルシロキシ)エチル)−N,N−ジメチルアンモニウムビス(フルオロスルホニル)アミド(N1122−OTMS−FSI)のサイクリックボルタンメトリー
実施例32で合成した化合物を電気化学セルに満たした。これを、作用電極として白金線、対極としてリチウム金属(シート状)および参照極としてもう1つのリチウム金属シートを有する3極式電池とした。1mV/sの速度でLi電位基準0〜6Vの間でサイクリックボルタンメトリー曲線を測定した(図20)。
(実施例42)
N−エチル−N−(3−(トリメチルシロキシ)プロピル)−N,N−ジメチルアンモニウムビス(トリフルオロメタン−スルホニル)アミド(N1123−OTMS−TFSI)のサイクリックボルタンメトリー
実施例33で合成した化合物を電気化学セルに満たした。これを、作用電極として白金線、対極としてリチウム金属(シート状)および参照極としてもう1つのリチウム金属シートを有する3極式電池とした。1mV/sの速度でLi電位基準0〜6Vの間でサイクリックボルタンメトリー曲線を測定した(図21)。
(実施例43)
N−エチル−N−(4−(トリメチルシロキシ)ブチル)−N,N−ジメチルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド(N1124−OTMS−TFSI)のサイクリックボルタンメトリー
実施例34で合成した化合物を電気化学セルに満たした。これを、作用電極として白金線、対極としてリチウム金属(シート状)および参照極としてもう1つのリチウム金属シートを有する3極式電池とした。1mV/sの速度でLi電位基準0〜6Vの間でサイクリックボルタンメトリー曲線を測定した(図22)。
(実施例44)
N−エチル−N−(6−(トリメチルシロキシ)ヘキシル)−N,N−ジメチルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド(N1126−OTMS−TFSI)のサイクリックボルタンメトリー
実施例35で合成した化合物を電気化学セルに満たした。これを、作用電極として白金線、対極としてリチウム金属(シート状)および参照極としてもう1つのリチウム金属シートを有する3極式電池とした。1mV/sの速度でLi電位基準0〜6Vの間でサイクリックボルタンメトリー曲線を測定した(図23)。
(実施例45)
N−エチル−N−2−(2−(トリメチルシロキシ)エトキシ)エチル−N,N−ジメチルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド(N1122O2−OTMS−TFSI)のサイクリックボルタンメトリー
実施例36で合成した化合物を電気化学セルに満たした。これを、作用電極として白金線、対極としてリチウム金属(シート状)および参照極としてもう1つのリチウム金属シートを有する3極式電池とした。1mV/sの速度でLi電位基準0〜6Vの間でサイクリックボルタンメトリー曲線を測定した(図24)。
(実施例46)
3−メチル−1−(2−(トリメチルシロキシ)エチル)イミダゾリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド(Im12−OTMS−TFSI)のサイクリックボルタンメトリー
実施例37で合成した化合物を電気化学セルに満たした。これを、作用電極として白金線、対極としてリチウム金属(シート状)および参照極としてもう1つのリチウム金属シートを有する3極式電池とした。1mV/sの速度でLi電位基準0〜6Vの間でサイクリックボルタンメトリー曲線を測定した(図25)。
(実施例47)
電解質の黒鉛との適合性
実施例34で合成したイオン液体(IL)中に0.3モル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(LiTFSI)溶液を、20mlの該イオン液体に1.7225gのLiTFSIを混合することにより調製した。この溶液を黒鉛電極を有する3極式電気化学セルに満たした。アノード材料は、実施例14に記載の方法で作製した。リチウム金属シート2枚を参照極および対極として使用し、作用電極として黒鉛を使用した。この電池を、電流速度C/24でLi電位基準0〜2.5Vの間でサイクルさせた(図26)。該リチウムは、首尾よく、初回サイクルにおいて低クーロン率で黒鉛にインターカレートされた。これは、2回目サイクルで改善されて89%に達し、253mAh/gの可逆容量であった。
(実施例48)
電解質の黒鉛との適合性
実施例36で合成したイオン液体(IL)中に0.3モル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(LiTFSI)溶液は、20mlの該イオン液体に1.7225gのLiTFSIを混合することにより調製した。この溶液で、黒鉛電極を有する3極式電気化学セルを満たした。アノード材料は、実施例14に記載の方法で作製した。リチウム金属シート2枚を参照極および対極として使用し、作用電極として黒鉛を使用した。この電池を、電流速度C/24でLi電位基準0〜2.5Vの間でサイクルさせた(図27)。該リチウムの黒鉛へのインターカレーションは、まったく上手くいったが、固体電極界面層が形成された後の3回目サイクルのみであった、クーロン効率は5回目サイクルで78%に達し、130mAh/gの可逆容量の89%であった。
(実施例49)
比較例:N−エチル−N−(2−メトキシエチル)−N,N−ジメチルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド(N1122−O1−TFSI)の合成
a)N−エチル−N−(2−メトキシエチル)−N,N−ジメチルアンモニウム臭化物
マグネチックスターラを装備した500mlの丸底フラスコ中に、100mlのMeCNおよびMeOH(1:1)に溶解した36.6g(0.500mol)のエチルジメチルアミンを入れた。この溶液に、48g(0.508mol)のメチル2−クロロエチルエーテルを滴下した。それから、該混合物を96時間還流した。該混合物を蒸発させ、アセトンから再結晶化させた。全部で、66.2g(86%)のN−エチル−N−(2−メトキシエチル)−N,N−ジメチルアンモニウム塩化物を得た。
b)N−エチル−N−(2−メトキシエチル)−N,N−ジメチルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド
250ml丸底フラスコ中で、70mlのミリQ水中の66g(0.430mol)のN−エチル−N−(2−メトキシエチル)−N,N−ジメチルアンモニウム塩化物溶液および80mlのミリQ水中の125g(0.435mol)のリチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド(LiTFSI)溶液を一緒にして、激しく撹拌しながら混合した。一度、相分離が起こったが、室温で更に4時間撹拌を続けた。それから、150mlのCHClを添加し、相分離した。水層を50mlのCHClで抽出し、1つに合わせた有機相を、100mlのミリQ水で6回洗浄した。ジクロロメタン中のイオン化合物溶液を得て、活性体を添加により精製し、次いで濾過した。溶媒を、ロータリーエバポレーターで留去し、次いで60℃高真空下で除去した。このようにして、150g(85%)の精製した無色液体のN−エチル−N−(2−メトキシエチル)−N,N−ジメチルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミドを得た。
HNMR(300MHz、DMSO−d)δ/ppm:1.24(t、J=7.10、7.10Hz、3H)、3.02(s、6H)、3.30(s、3H)、3.38(q、J=7.10Hz、2H)、3.45〜3.52(m、2H)、3.73(br.s.、2H)。
13CNMR(75MHz、DMSO−d)δ/ppm:7.80(s)、50.11(br.s.)、57.84(s)、59.77(br.s.)、61.87(br.s.)、65.36(s)、119.54(q、J=321.80Hz)。
19FNMR(470MHz、クロロホルム−d)δ/ppm:−78.79(s)。
(実施例50)
比較例:電解質の黒鉛との適合性
実施例49で合成したイオン液体(IL)中の0.3モル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(LiTFSI)溶液は、20mlの該イオン液体に1.7225gのLiTFSIを混合することにより調製した。この溶液で、黒鉛電極を有する3極式電気化学セルを満たした。アノード材料は、実施例14に記載の方法で作製した。リチウム金属シート2枚を参照極および対極として使用し、作用電極として黒鉛を使用した。この電池を、電流速度C/24でLi電位基準0〜2.5Vの間でサイクルさせた(図28)。電位は、初回サイクルで、約0.8Vのプラトー電位に達し、30時間の還元中、0Vに落ちず、このことは、分解反応を示している。結果的に、可逆容量は得られなかった。従って、この電極は、黒鉛アノードの電池のような低還元電圧には使用できない。
本発明の範囲は、実施例に記載された好ましい実施形態によって制限されるべきではなく、むしろ、全体として、本明細書に一貫して最も拡大解釈されるべきである。
参照文献
本明細書は多数の文献を参照し、その内容は全体に参照により本明細書に組み込まれる。これらの文献は、制限されないが、以下のものを含む。
・US 6,365,301
・US 6,365,068
・US 2008/0266642
・WO 2009/013046
・US 2009/0045373
・JP 2010−095473A
1.Wasserscheid, P. and T. Welton, Eds. (2008). Ionic liquids in synthesis Weinheim, Wiley−VCH, pp.
2.Ue, M.; Murakami, A.; Omata, K.; Nakamura, S., On the Anodic Stability of Organic Liquid Electrolytes. Book of Abstracts of 41st Battery Symposium in Japan 2000,292−293.
3.N. Koura, et al. Chem Lett, 12 (2001 ), pp. 1320−1321 and Abs. 360, IMLB meeting, The Electrochemical Society, Inc: Nara, Japan; 2004.
4.Holzapfel et al. Chem Commun, 4 (2004), pp. 2098−2099 and Carbon, 43 (2005), pp. 1488−1498.
5.Journal of Power Sources 162 (2006) 658−662] using 1 −ethyl−3−methylimidazolium (EMIm)−FSI and EMIm−TFSIc.6.Journal of Power Sources 175 (2008) 866−873.
7.Matsumoto, Japan battery symposia book of abstracts 2011.
8.Zhang, Z.; Dong, J.; West, R.; Amine, K., Oligo(ethylene glycol)−functionalized disiloxanes as electrolytes for lithium−ion batteries. Journal of Power Sources 2010, 195 (18), 6062−6068.
9.Lukevics, E.; Liberts, L.; Voronkov, M. G., Organosilicon Derivatives of Aminoalcohols. Russian Chemical Reviews 1970, 39 (1 1), 953−963.

Claims (47)

  1. 式(I):

    [式中、
    CATは、窒素、リンまたは硫黄である単一正帯電原子を含むカチオンを表し、前記カチオンは、
    式(IIa)、(IIb)または(IIc):

    [式中、R、RおよびRは、独立して、C〜C16アルキル基、アルケニル基またはアルキニル基である]であるか、または
    式(IIIa)、(IIIb)または(IIIc):

    [式中、
    Xは、
    −CH −CH −CH −、
    −CH −C(=O)−CH −CH −、
    −N(アルキル)−CH −CH −CH −、
    −CH −N(アルキル)−CH −CH −、
    −CH −CH −CH −CH −CH −、
    −CH −CH −O−CH −CH −、
    −CH −O−CH −CH −CH −、
    −CH −CH −N(アルキル)−CH −CH −、
    −CH −N(アルキル)−CH −CH −CH −、または
    −N(アルキル)−CH −CH −CH −CH
    であり、そして
    は、C〜C16アルキル基、アルケニル基またはアルキニル基である]であるか、
    式(IVa)、(IVb)または(IVc):
    (式中、Zは、−CH=CH−、−CH −CH −CH −、−CH=CH−CH=CH−、−CH=CH−CH=CH−CH −、−N=CH−CH=CH−、−CH=N−CH=CH−、−N(アルキル)−CH=CH−、−CH=CH−CH −O−、−CH −CH=CH−O−、=CH−CH −CH −O−、−O−CH −CH=CH−、−O−CH=CH−CH −、−CH=CH−O−CH −、=CH−CH −O−CH −、−CH −O−CH=CH−、=CH−O−CH −CH −、または−N(アルキル)−N=CH−であり、そしてR が水素またはアルキルである)
    (式中、Zは、−CH=CH−であり、そしてR が水素またはアルキルである)
    (式中、Zは、−N(アルキル)−CH=CH−である)
    であり;
    R、RおよびRは、独立して、C〜Cアルキル基、アルケニル基またはアルキニル基であり;
    Lは、C〜C12アルキレン基、アルケニレン基、またはアルキニレン基であり、1つ以上のエーテル官能基を含んでいてもよく、および1つ以上のハロゲン原子で置換されていてもよく、そして
    ANIは、アニオンである]
    の少なくとも1種のイオン液体中に溶解された導電性リチウム塩を含むリチウム電池またはリチウムイオン電池の電解質。
  2. 前記正帯電した原子が窒素である、請求項1に記載の電解質。
  3. R、RおよびRは、独立して、C〜Cアルキル基またはアルケニル基である、請求項1または2に記載の電解質。
  4. R、RおよびRは、独立して、C〜Cアルキル基またはアルケニル基である、請求項3に記載の電解質。
  5. R、RおよびRは、独立して、C〜Cアルキル基である、請求項4に記載の電解質。
  6. R、RおよびRは、独立して、C〜Cアルキル基である、請求項5に記載の電解質。
  7. R、RおよびRは、各々、メチルである、請求項6に記載の電解質。
  8. Lが、これが結合している酸素原子と一緒になって、1つ以上のアルキレンオキシ基、アルケニレンオキシ基、またはアルキニレンオキシ基を形成する、請求項1〜7のいずれか1項に記載の電解質。
  9. Lが、これが結合している酸素原子と一緒になって、1つ以上のアルキレンオキシ基を形成する、請求項8に記載の電解質。
  10. Lが、これが結合している酸素原子と一緒になって、1つ以上のエチレンオキシ基を形成する、請求項9に記載の電解質。
  11. Lが、これが結合している酸素原子と一緒になって、1つまたは2つのエチレンオキシ基を形成する、請求項10に記載の電解質。
  12. LがC〜C12アルキレン基である、請求項1〜9のいずれか1項に記載の電解質。
  13. LがC〜Cアルキレン基である、請求項12に記載の電解質。
  14. LがCアルキレン基である、請求項13に記載の電解質。
  15. Lが−CH−CH−である、請求項14に記載の電解質。
  16. 、RおよびRが、独立して、C〜Cアルキル基またはアルケニル基である、請求項1〜15のいずれか1項に記載の電解質。
  17. 、RおよびRが、独立して、C〜Cアルキル基である、請求項16に記載の電解質。
  18. 、RおよびRが、独立して、C〜Cアルキル基である、請求項17に記載の電解質。
  19. 、RおよびRが各々、−CHである、請求項18に記載の電解質。
  20. 、RおよびRが各々、−CHCHである、請求項18に記載の電解質。
  21. およびRが各々、−CHであり、Rが、−CHCHである、請求項18に記載の電解質。
  22. が、−CHであり、RおよびRが各々、−CHCHである、請求項18に記載の電解質。
  23. Xが−CHCHCHCH−である、請求項1〜22のいずれか1項に記載の電解質。
  24. が、C〜Cアルキル基またはアルケニル基である、請求項1〜23のいずれか1項に記載の電解質。
  25. が、C〜Cアルキル基である、請求項24に記載の電解質。
  26. が、−CHである、請求項25に記載の電解質。
  27. Zが、−N(アルキル)−CH=CH−である、請求項1〜26のいずれか1項に記載の電解質。
  28. Zが、−N(CH)−CH=CH−である、請求項27に記載の電解質。
  29. が水素である、請求項1〜28のいずれか1項に記載の電解質。
  30. が−CHである、請求項1〜28のいずれか1項に記載の電解質。
  31. 前記CATが、式(IIa)である、請求項1〜30のいずれか1項に記載の電解質。
  32. 前記CATが、式(IIIa)である、請求項1〜30のいずれか1項に記載の電解質。
  33. 前記アニオンが:
    ハロゲン化物、
    過塩素酸、
    ヘキサフルオロリン酸、
    トリス(ペンタフルオロエチル)トリフルオロリン酸、
    テトラフルオロホウ酸、
    トリフルオロメチルトリフルオロホウ酸、
    ペンタフルオロエチルトリフルオロホウ酸、
    ヘプタフルオロプロピルトリフルオロホウ酸、
    ノナフルオロブチルトリフルオロホウ酸、
    トリフルオロメタンスルホン酸、
    トリフルオロ酢酸、
    ビス(フルオロスルホニル)アミド、または
    式(V)のアニオン:
    A−N−SO−B (V)
    [式中、Aは、F−SO−、CF−SO−、C−SO−、C−SO−、C−SO−、またはCF−C(=O)−であり;そしてBは、−F、−CF、−C、−C、−Cである]
    である、請求項1〜32のいずれか1項に記載の電解質。
  34. 前記式(V)のアニオンが:
    ビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド、
    ビス(ペンタフルオロエチルスルホニル)アミド、
    ビス(ヘプタフルオロプロピルスルホニル)アミド、
    ビス(ノナフルオロブチルスルホニル)アミド、
    N−トリフルオロアセチルフルオロスルホニルアミド、
    N−トリフルオロアセチルトリフルオロメタンスルホニルアミド、
    N−トリフルオロアセチルペンタフルオロエチルスルホニルアミド、
    N−トリフルオロアセチルヘプタフルオロプロピルスルホニルアミド、
    N−トリフルオロアセチルノナフルオロブチルスルホニルアミド、
    N−フルオロスルホニルトリフルオロメタンスルホニルアミド、
    N−フルオロスルホニルペンタフルオロエチルスルホニルアミド、
    N−フルオロスルホニルヘプタフルオロプロピルスルホニルアミド、
    N−フルオロスルホニルノナフルオロブチルスルホニルアミド、
    N−トリフルオロメタンスルホニルペンタフルオロエチルスルホニルアミド、
    N−トリフルオロメタンスルホニルヘプタフルオロプロピルスルホニルアミド、または
    N−トリフルオロメタンスルホニルノナフルオロブチルスルホニルアミド
    である、請求項33に記載の電解質。
  35. 前記アニオンが、塩化物、ビス(フルオロスルホニル)アミド、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド、またはN−フルオロスルホニルトリフルオロメタンスルホニルアミドである、請求項33または34に記載の電解質。
  36. 前記アニオンが、ビス(フルオロスルホニル)アミド、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド、またはN−フルオロスルホニルトリフルオロメタンスルホニルアミドである、請求項35に記載の電解質。
  37. 前記アニオンが、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミドである、請求項36に記載の電解質。
  38. CATは、式(IIa):

    (式中、R、RおよびRは、独立して、C〜Cアルキル基である)のカチオンを表し、
    R、RおよびRは、独立して、C〜Cアルキル基であり、
    Lは、リンカーであり、それが結合している酸素原子と一緒になって、1つまたは2つのエチレンオキシ基を形成するリンカーであり;そして
    ANIは、式(V):
    A−N−SO−B (V)
    (式中、Aは、F−SO−、CF−SO−、C−SO−、C−SO−、C−SO−であり;そしてBは、−F、−CF、−C、−C、−Cである)のアニオンである、
    請求項1に記載の電解質。
  39. 、RおよびRが、独立して、C〜Cアルキル基である、請求項38に記載の電解質。
  40. R、RおよびRは、独立して、C〜Cアルキル基である、請求項38または39に記載の電解質。
  41. 前記アニオンが、ビス(フルオロスルホニル)アミド、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド、またはN−フルオロスルホニルトリフルオロメタンスルホニルアミドである、請求項38〜40のいずれか1項に記載の電解質。
  42. 前記イオン液体が、
















    または

    を含む、請求項1に記載の電解質。
  43. 前記イオン液体が、









    または

    を含む、請求項1に記載の電解質。
  44. 有機溶媒をさらに含む、請求項1〜43のいずれか1項に記載の電解質。
  45. 前記有機溶媒が極性有機溶媒である、請求項44に記載の電解質。
  46. 不飽和炭酸塩をさらに含む、請求項1〜45のいずれか1項に記載の電解質。
  47. アノード、カソード、および請求項1〜46のいずれか1項に記載の電解質を含むリチウム電池またはリチウムイオン電池。
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