JP6452357B2 - Coordination polymer complex containing fluorine, gas adsorbent, gas separation device and gas storage device using the same - Google Patents

Coordination polymer complex containing fluorine, gas adsorbent, gas separation device and gas storage device using the same Download PDF

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Description

本発明は多孔性高分子金属錯体及びガス吸着材としての利用ならびにこれを用いたガス分離装置およびガス貯蔵装置に関する。   The present invention relates to use as a porous polymer metal complex and a gas adsorbing material, and a gas separation device and a gas storage device using the same.

ガス吸着材は、加圧貯蔵や液化貯蔵に比べて、低圧で大量のガスを貯蔵しうる特性を有する。このため、近年、ガス吸着材を用いたガス貯蔵装置やガス分離装置の開発が盛んである。ガス吸着材としては、活性炭やゼオライトなどが知られている。また最近は多孔性高分子金属錯体にガスを吸蔵させる方法も提案されている(特許文献1、非特許文献1参照)。   The gas adsorbent has a characteristic of storing a large amount of gas at a low pressure as compared with pressurized storage and liquefied storage. For this reason, in recent years, development of a gas storage device and a gas separation device using a gas adsorbent has been active. As the gas adsorbent, activated carbon, zeolite and the like are known. Recently, a method of occluding gas in a porous polymer metal complex has also been proposed (see Patent Document 1 and Non-Patent Document 1).

多孔性高分子金属錯体は、金属イオンと有機配位子から得られる結晶性固体で、種々の金属イオン、有機配位子の組み合わせおよび骨格構造の多様性から、様々なガス吸着特性を発現する可能性を秘めている。しかしながら、これらの従来提案されてきたガス吸着材は、ガス吸着量や作業性などの点で充分に満足できるものとはいえず、より優れた特性を有するガス吸着材の開発が所望されている。   Porous polymer metal complexes are crystalline solids obtained from metal ions and organic ligands, and exhibit various gas adsorption properties due to the variety of metal ions, combinations of organic ligands and the variety of skeletal structures. It has potential. However, these conventionally proposed gas adsorbents are not sufficiently satisfactory in terms of the amount of gas adsorption and workability, and the development of gas adsorbents with better characteristics is desired. .

多孔性高分子金属錯体の特徴の一つが、そのネットワーク構造である。一次元の鎖状物集合体、二次元の四角格子の積層体、ジャングルジム状の三次元構造など様々な構造の多孔性高分子金属錯体が知られている(非特許文献2)。これら多様な多孔性高分子金属錯体は、ネットワーク構造及び、それを構成している金属イオン、配位子の化学的性質、物理的な形状に由来して、様々な物性を発現する。   One of the characteristics of the porous polymer metal complex is its network structure. There are known porous polymer metal complexes having various structures such as a one-dimensional chain aggregate, a two-dimensional square lattice laminate, and a jungle gym-shaped three-dimensional structure (Non-patent Document 2). These various porous polymer metal complexes exhibit various physical properties derived from the network structure, the metal ions constituting the network, the chemical properties of the ligand, and the physical shape.

PCP(Porous Coordination Polymer; 以下、本明細書では「多孔性高分子金属錯体」を「PCP」とも表現することがある。)のネットワーク構造が平面に広がり、それが積層しているいわゆる二次元積層型のPCPが知られている。この様な積層型PCPの一部は、ガスの吸着に際し、層と層の間でずれが生じることで、いわゆるゲート現象が生じ、結果として優れたガス貯蔵、分離特性を発現する事が知られている(非特許文献3;特許文献2)。ピラジン、4,4’−ビピリジン等の含窒素型配位子を利用して合成されたPCPは非常に多く知られている。一方、窒素原子を含まないカルボン酸型配位子からなる二次元PCPの例は少ない(非特許文献4〜6)。   PCP (Porous Coordination Polymer; hereinafter referred to as “porous polymer metal complex” may also be referred to as “PCP” in this specification) is a so-called two-dimensional laminate in which the network structure spreads in a plane and is laminated. A type of PCP is known. It is known that a part of such a laminated PCP has a so-called gate phenomenon due to a shift between layers during gas adsorption, resulting in excellent gas storage and separation characteristics. (Non-patent document 3; Patent document 2). Many PCPs synthesized using nitrogen-containing ligands such as pyrazine and 4,4'-bipyridine are known. On the other hand, there are few examples of the two-dimensional PCP which consists of a carboxylic acid type ligand which does not contain a nitrogen atom (nonpatent literatures 4-6).

カゴメ型PCPと呼ばれる一群のPCPは、銅イオンとイソフタル酸類から合成される2次元積層型PCPは含窒素配位子を含まないが、置換基の種類は極限られ、金属イオンも銅イオン、ルテニウムイオンに限定されている。一般論として、どの様な金属イオンと、どのような配位子と、どのような合成条件を組み合わせたらよいかは知られていない(非特許文献7〜9、特許文献3)。   A group of PCPs called kagome-type PCPs, which are synthesized from copper ions and isophthalic acids, do not contain nitrogen-containing ligands, but the types of substituents are limited, and metal ions are also copper ions, ruthenium. Limited to ions. In general, it is not known what kind of metal ion, what kind of ligand, and what kind of synthesis conditions should be combined (Non-Patent Documents 7 to 9, Patent Document 3).

多孔体のガス吸着特性を制御するために、配位子にふっ素原子を導入する試みが行われている(非特許文献10〜13)。ふっ素の材料への一般的な影響として、摺動性、撥水性などは知られているが、前述のふっ素を導入した多孔性高分子金属錯体の例では、ふっ素原子による水素の吸着特性の向上が述べられている。これらは、前記のふっ素原子が惹起する物性とは一致せず、またふっ素原子導入が水素の吸着特性を向上させる原理も詳しくは記載されておらず、すなわち、ふっ素原子の導入が多孔性高分子金属錯体のガス吸着特性にどのような影響を及ぼすかははっきりとはわかっていない。   In order to control the gas adsorption characteristics of the porous body, attempts have been made to introduce fluorine atoms into the ligand (Non-Patent Documents 10 to 13). Sliding properties and water repellency are known as general effects on fluorine materials, but in the case of the porous polymer metal complex introduced with fluorine as described above, the hydrogen adsorption characteristics by fluorine atoms are improved. Is stated. These do not coincide with the physical properties caused by the above-mentioned fluorine atoms, and the principle by which the introduction of fluorine atoms improves the hydrogen adsorption characteristics is not described in detail. That is, the introduction of fluorine atoms is a porous polymer. It is not clear how it affects the gas adsorption properties of metal complexes.

二次元積層型のPCPの、層間がずれるゲート現象には、層間相互作用の強さが重要な因子であることが示唆されている(上記非特許文献3)。しかし具体的にどのような原子を配置する事でゲート現象が出るのかは知られていない。ふっ素原子同士の相互作用が弱い事から、層間にふっ素原子を導入することで、層間相互作用が弱くなる事は推測されるが、どのようなネットワーク構造の二次元PCPに、どのような形態でふっ素原子を導入すればゲート現象が生じ、さらに優れたガス分離能が発現するかは知られていない。   It has been suggested that the strength of interlayer interaction is an important factor in the gate phenomenon of interlayer displacement in the two-dimensional stacked PCP (Non-patent Document 3). However, it is not known what kind of atoms are arranged to cause the gate phenomenon. Since the interaction between fluorine atoms is weak, it is speculated that the introduction of fluorine atoms between layers will weaken the interlayer interaction. It is not known if the introduction of fluorine atoms will cause a gate phenomenon, and will exhibit better gas separation performance.

特開2000-109493号公報JP 2000-109493 A 特許第4398749号公報Japanese Patent No. 4398749 特開2012-228667号公報JP 2012-228667 A

北川進、集積型金属錯体、講談社サイエンティフィク、2001年214-218頁Susumu Kitagawa, Integrated Metal Complex, Kodansha Scientific, 2001, pages 214-218 Robsonら、Angew. Chem. Int. Ed. 1998, 37, 1460 ± 1494Robson et al., Angew. Chem. Int. Ed. 1998, 37, 1460 ± 1494 上代ら、Int. J. Mol. Sci. 2010, 11, 3803Koushiro et al., Int. J. Mol. Sci. 2010, 11, 3803 Yaghiら、J. Am. Chem. Soc., Vol. 118, No. 38, 1996、9096Yaghi et al., J. Am. Chem. Soc., Vol. 118, No. 38, 1996, 9096 Zhaoら、Inorganic Chemistry, Vol. 45, No. 21, 2006 8677Zhao et al., Inorganic Chemistry, Vol. 45, No. 21, 2006 8677 Roseinskyら、Chem. Commun(2007)1532-1534)Roseinsky et al., Chem. Commun (2007) 1532-1534) 北川ら、Chem. Commun., 2005, 865-867Kitagawa et al., Chem. Commun., 2005, 865-867 Morrisら、Nature Chem., 2011 , 3, 304Morris et al., Nature Chem., 2011, 3, 304 Zaworotkoら、Chem. Commun., 2004, 2534-2535Zaworotko et al., Chem. Commun., 2004, 2534-2535 Omaryら、J. Am. Chem. Soc., 2007,129, 15454Omary et al., J. Am. Chem. Soc., 2007,129, 15454 Omaryら、Angew. Chem. Int. Ed.2009,48,2500Omary et al., Angew. Chem. Int. Ed. 2009, 48, 2500 Liら、J. Am. Chem. Soc., 2004, 126, 1308Li et al., J. Am. Chem. Soc., 2004, 126, 1308 Fereyら、J. Am. Chem. Soc., 2010, 132, 1127-1136Ferey et al., J. Am. Chem. Soc., 2010, 132, 1127-1136

本発明は、ふっ素原子を含有する配位子で合成された、二次元積層構造を有する新規な多孔性高分子金属錯体及びこれを用いた優れた特性を有するガス吸着材を提供することである。また本発明は、前記特性を有するガス吸着材を内部に収容してなるガス貯蔵装置およびガス分離装置を併せて提供することを目的とする。   The present invention is to provide a novel porous polymer metal complex having a two-dimensional laminated structure synthesized with a ligand containing a fluorine atom and a gas adsorbent having excellent characteristics using the same. . Another object of the present invention is to provide a gas storage device and a gas separation device that contain a gas adsorbent having the above-mentioned characteristics.

本発明者らは、前述のような問題点を解決すべく、鋭意研究を積み重ねた結果、5位に炭素数が1−10のパーフルオロアルキル基を有するイソフタル酸型配位子を遷移金属イオンと反応させる際に、少量の含ふっ素芳香族化合物を共存させる事で、パーフルオロアルキル基が層間に凝集した二次元積層型PCPを合成でき、さらに本PCPは特有のガス吸着能を有する事を見いだし、本発明を完成するに至った。   As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the present inventors have converted an isophthalic acid type ligand having a perfluoroalkyl group having 1-10 carbon atoms at the 5-position to a transition metal ion. In the reaction, a small amount of a fluorine-containing aromatic compound can be present to synthesize a two-dimensional stacked PCP in which perfluoroalkyl groups are aggregated between layers, and this PCP has a unique gas adsorption ability. As a result, the present invention has been completed.

すなわち、本発明は、5位に炭素数が1−10のパーフルオロアルキル基を有するイソフタル酸型配位子を遷移金属イオンと反応させて得られる、パーフルオロアルキル基が層間に凝集した二次元積層型の多孔性高分子金属錯体であり、本材料のガス吸蔵材料としての利用及び本ガス吸着材を内部に収容してなるガス貯蔵装置およびガス分離装置に関する発明である。   That is, the present invention provides a two-dimensional structure in which perfluoroalkyl groups are obtained by reacting an isophthalic acid type ligand having a perfluoroalkyl group having 1-10 carbon atoms at the 5-position with a transition metal ion. The invention relates to a gas storage device and a gas separation device that are laminated porous polymer metal complexes, use the material as a gas storage material, and store the gas adsorbent therein.

すなわち本発明は下記にある。
(1)下記式(1)
[MX]n (1)
(式中、Mはコバルトイオン、銅イオン、亜鉛イオン、ニッケルイオンから選ばれる2価の遷移金属イオン、Xは下記式:
(式中、Rfは炭素数1〜10のパーフルオロアルキル基である。)
で表される炭素数1から10であるパーフルオロアルキル基を5位に有するイソフタル酸誘導体(配位子)である。nは、[MX]から成る構成単位が多数集合しているという特性を示すもので、nの大きさは特に限定されない。)
で表され、ふっ素原子を含有し、二次元積層型ネットワーク構造を有している多孔性高分子金属錯体。
That is, the present invention is as follows.
(1) The following formula (1)
[MX] n (1)
(In the formula, M is a divalent transition metal ion selected from cobalt ion, copper ion, zinc ion and nickel ion, and X is the following formula:
(In the formula, Rf is a perfluoroalkyl group having 1 to 10 carbon atoms.)
Is an isophthalic acid derivative (ligand) having a perfluoroalkyl group having 1 to 10 carbon atoms represented by n indicates a characteristic that a large number of structural units composed of [MX] are gathered, and the size of n is not particularly limited. )
A porous polymer metal complex represented by the formula (1) and containing a fluorine atom and having a two-dimensional laminated network structure.

(2)遷移金属イオンとイソフタル酸誘導体配位子から構成される四角い格子から成る層状構造ネットワークが形成され、その層状構造ネットワークが積層され、それらの層の間にイソフタル酸誘導体の5位のパーフルオロアルキル基が突き出して、パーフルオロアルキル基が凝集した部分が存在する、上記(1)に記載の多孔性高分子金属錯体。   (2) A layered structure network composed of a square lattice composed of transition metal ions and isophthalic acid derivative ligands is formed, and the layered structure network is laminated, and the 5-position par of the isophthalic acid derivative is interposed between these layers. The porous polymer metal complex according to (1), wherein a fluoroalkyl group protrudes and there is a portion where the perfluoroalkyl group is aggregated.

(3)二個の遷移金属イオンに対し、4個のイソフタル酸型の配位子のそれぞれ1個のカルボキシル基が合計4個配位し、前記カルボキシル基のうち1個は、酸素原子2個ともが同一の遷移金属イオンに配位し、前記カルボキシル基のうち2個はそれぞれ2個の酸素原子のそれぞれが別々の遷移金属イオンに配位し、前記カルボキシル基のうち残り1個のカルボキシル基はその1個の酸素原子は一つの遷移金属イオンに配位し、もう一個の酸素原子は二個の遷移金属イオンに配位している、配位構造を有している、上記(1)又は(2)に記載の多孔性高分子金属錯体。   (3) A total of four carboxyl groups of each of the four isophthalic acid type ligands coordinate to two transition metal ions, and one of the carboxyl groups has two oxygen atoms. Both coordinate to the same transition metal ion, and two of the carboxyl groups each have two oxygen atoms coordinate to different transition metal ions, and the remaining one of the carboxyl groups Has a coordination structure in which one oxygen atom is coordinated to one transition metal ion and the other oxygen atom is coordinated to two transition metal ions, (1) Or the porous polymeric metal complex as described in (2).

)前記パーフルオロアルキル基が、CF3,C25,n−C37,n−C49,n−C511,n−C817,n−C1021から選ばれる、上記(1)〜()に記載の多孔性高分子金属錯体。 ( 4 ) The perfluoroalkyl group is CF 3 , C 2 F 5 , n-C 3 F 7 , n-C 4 F 9 , n-C 5 F 11 , n-C 8 F 17 , n-C 10. selected from F 21, porous polymer metal complex according to (1) to (3).

)上記(1)−(4)のいずれかに記載の多孔性高分子金属錯体を含むガス吸着材。 ( 5 ) A gas adsorbent comprising the porous polymer metal complex according to any one of (1) to (4) above.

)上記()に記載のガス吸着材を用いるガス分離装置。 ( 6 ) A gas separation apparatus using the gas adsorbent according to ( 5 ) above.

)上記()に記載のガス吸着材を用いるガス貯蔵装置。 ( 7 ) A gas storage device using the gas adsorbent described in ( 5 ) above.

本発明の多孔性高分子金属錯体は多量のガスを吸着、放出し、かつ、ガスの選択的吸着を行うことが可能である。また本発明の多孔性高分子金属錯体からなるガス吸着材料を内部に収容してなるガス貯蔵装置およびガス分離装置を製造することが可能になる。   The porous polymer metal complex of the present invention is capable of adsorbing and releasing a large amount of gas and selectively adsorbing gas. In addition, it is possible to manufacture a gas storage device and a gas separation device in which a gas adsorbing material comprising the porous polymer metal complex of the present invention is housed.

本発明の多孔性高分子金属錯体は、また例えば、圧力スイング吸着方式(以下「PSA方式」と略記)のガス分離装置として使用すれば、非常に効率良いガス分離が可能である。また、圧力変化に要する時間を短縮でき、省エネルギーにも寄与する。さらに、ガス分離装置の小型化にも寄与しうるため、高純度ガスを製品として販売する際のコスト競争力を高めることができることは勿論、自社工場内部で高純度ガスを用いる場合であっても、高純度ガスを必要とする設備に要するコストを削減できるため、結局最終製品の製造コストを削減する効果を有する。   When the porous polymer metal complex of the present invention is used, for example, as a gas separation device of a pressure swing adsorption method (hereinafter abbreviated as “PSA method”), very efficient gas separation is possible. In addition, the time required for pressure change can be shortened, contributing to energy saving. Furthermore, since it can contribute to the miniaturization of the gas separation device, it is possible to increase the cost competitiveness when selling high-purity gas as a product. Since the cost required for the equipment that requires high purity gas can be reduced, the manufacturing cost of the final product can be reduced.

本発明の多孔性高分子金属錯体の他の用途としては、ガス貯蔵装置が挙げられる。本発明のガス吸着材をガス貯蔵装置(業務用ガスタンク、民生用ガスタンク、車両用燃料タンクなど)に適用した場合には、搬送中や保存中の圧力を劇的に低減させることが可能である。搬送時や保存中のガス圧力を減少させ得ることに起因する効果としては、形状自由度の向上がまず挙げられる。従来のガス貯蔵装置においては、保存中の圧力を維持しなくてはガス吸着量を高く維持できない。しかしながら、本発明のガス貯蔵装置においては、圧力を低下させても充分なガス吸着量を維持できる。   Another application of the porous polymer metal complex of the present invention is a gas storage device. When the gas adsorbent of the present invention is applied to a gas storage device (business gas tank, consumer gas tank, vehicle fuel tank, etc.), it is possible to dramatically reduce the pressure during transportation and storage. . As an effect resulting from the ability to reduce the gas pressure during transportation or storage, firstly, improvement in the degree of freedom of shape can be mentioned. In the conventional gas storage device, the gas adsorption amount cannot be maintained high unless the pressure during storage is maintained. However, in the gas storage device of the present invention, a sufficient gas adsorption amount can be maintained even if the pressure is lowered.

ガス分離装置やガス貯蔵装置に適用する場合における、容器形状や容器材質、ガスバルブの種類などに関しては、特に特別の装置を用いなくてもよく、ガス分離装置やガス貯蔵装置に用いられているものを用いることが可能である。ただし、各種装置の改良を排除するものではなく、いかなる装置を用いたとしても、本発明の多孔性高分子金属錯体を用いている限りにおいて、本発明の技術的範囲に包含されるものである。   When applied to a gas separation device or gas storage device, there is no need to use a special device for the shape of the container, the material of the container, the type of gas valve, etc., and those used in the gas separation device and gas storage device Can be used. However, the improvement of various devices is not excluded, and any device is included in the technical scope of the present invention as long as the porous polymer metal complex of the present invention is used. .

本発明の多孔性高分子金属錯体の積層型ネットワーク構造を形成している層の構成する鎖状構造を示す。The chain structure which the layer which forms the laminated network structure of the porous polymer metal complex of this invention comprises is shown. 本発明の多孔性高分子金属錯体の積層型ネットワーク構造を形成している層の構造を示す。The structure of the layer which forms the laminated network structure of the porous polymer metal complex of this invention is shown. 本発明の多孔性高分子金属錯体の積層型ネットワーク構造の積層構造を側面から見た図である。It is the figure which looked at the laminated structure of the laminated network structure of the porous polymer metal complex of this invention from the side surface. 発明の多孔性高分子金属錯体の遷移金属イオンと配位子との結合を示す図である。It is a figure which shows the coupling | bonding of the transition metal ion and ligand of the porous polymeric metal complex of invention.

本発明は、下記式(1)
[MX]n (1)
(式中、Mは2価の遷移金属イオン、Xは炭素数1から10であるパーフルオロアルキル基を5位に有するイソフタル酸誘導体(配位子)である。nは、[MX]から成る構成単位が多数集合しているという特性を示すもので、nの大きさは特に限定されない。)
で表され、ふっ素原子を含有し、二次元積層型ネットワーク構造を有している多孔性高分子金属錯体を提供する。本発明の多孔性高分子金属錯体は、2価の遷移金属イオンとイソフタル酸誘導体配位子から構成される四角い格子から成る層状構造ネットワークが形成され、その層状構造ネットワークが積層され、それらの層の間にイソフタル酸誘導体の5位のパーフルオロアルキル基が突き出して、パーフルオロアルキル基が凝集した部分が存在する。
The present invention provides the following formula (1):
[MX] n (1)
(In the formula, M is a divalent transition metal ion, X is an isophthalic acid derivative (ligand) having a perfluoroalkyl group having 1 to 10 carbon atoms in the 5-position. N is composed of [MX]. (It shows the characteristic that many structural units are gathered, and the size of n is not particularly limited.)
And a porous polymer metal complex containing a fluorine atom and having a two-dimensional laminated network structure. In the porous polymer metal complex of the present invention, a layered structure network composed of a square lattice composed of a divalent transition metal ion and an isophthalic acid derivative ligand is formed, and the layered structure network is laminated. In between, there is a portion where the perfluoroalkyl group at the 5-position of the isophthalic acid derivative protrudes and the perfluoroalkyl group is aggregated.

本発明のPCPは、二次元積層構造のネットワークを有している。その積層構造を形成する各層は、その一次元の結合を示す図1、二次元の結合を示す図2に見られる様に、2価の遷移金属イオンと配位子から構成される四角い格子から成る層状構造ネットワークであり、その層から層の上下方向にイソフタル酸型配位子の5位に置換したパーフルオロアルキル基が突き出している。ただし、図1、2では、見易さのために水素原子は省略し、2価の遷移金属イオンMを黒色、酸素原子を濃い灰色、炭素原子とふっ素原子は白色ないし薄い灰色で示している。フッ素原子は、イソフタル酸の5位にあるパーフルオロアルキル基に存在している。結果として、積層構造を側面から見た図3に見られるように、層と層の間には、パーフルオロアルキル基が凝集したふっ素が多い部分が存在する。なお、図3では、2価の遷移金属イオンと酸素原子及び炭素原子は図1,2と同じ色であるが、フッ素原子は、強調するために、図1,2におけるフッ素原子とは色(明度を濃く)を変えている。また、2価の遷移金属イオンには、合成時に使用した溶媒のDMFが配位している。   The PCP of the present invention has a two-dimensional laminated network. As shown in FIG. 1 showing the one-dimensional bond and FIG. 2 showing the two-dimensional bond, each layer forming the stacked structure is formed from a square lattice composed of a divalent transition metal ion and a ligand. A perfluoroalkyl group substituted at the 5-position of the isophthalic acid type ligand protrudes from the layer in the vertical direction of the layer. However, in FIGS. 1 and 2, for the sake of clarity, hydrogen atoms are omitted, divalent transition metal ions M are shown in black, oxygen atoms are shown in dark gray, and carbon atoms and fluorine atoms are shown in white or light gray. . The fluorine atom is present in the perfluoroalkyl group at the 5-position of isophthalic acid. As a result, as shown in FIG. 3 in which the laminated structure is viewed from the side, there is a portion where there is a lot of fluorine in which perfluoroalkyl groups are aggregated between the layers. In FIG. 3, the divalent transition metal ion, the oxygen atom, and the carbon atom are the same color as in FIGS. 1 and 2, but the fluorine atom in FIG. Change the brightness). The divalent transition metal ion is coordinated with DMF as a solvent used in the synthesis.

なお、各図は、実施例にて合成した化合物を単結晶X線回折装置により測定し、得られた電子密度のデータを専用のソフトウエアにて図版化したものである。実際の材料には結晶の格子欠陥や、分子の熱振動が存在するため、それら由来のデータの欠陥が生じ、このため、図面上は芳香環のゆがみ、官能基(特にアルキル基類)の消失等が起こりうる。しかし、仮にそうようなことがあっても、本発明の温和な合成条件においては芳香環のゆがみ、官能基の消失等は起こりえないと考えられ、あくまでも欠陥は測定上の問題であり、実化合物は、原料として使用した配位子により構成されると考えて良い。また、本発明の多孔性高分子金属錯体は、後述するように、錯体分子(結晶)内に溶媒や水分子を含む場合があるが、本発明の多孔性高分子金属錯体の構造は明らかである。   In each figure, the compounds synthesized in the examples are measured with a single crystal X-ray diffractometer, and the obtained electron density data is illustrated with dedicated software. In actual materials, there are crystal lattice defects and molecular thermal vibrations, resulting in defects in the data derived from them. For this reason, the aromatic ring is distorted and functional groups (especially alkyl groups) disappear on the drawing. Etc. can occur. However, even if this is the case, under the mild synthesis conditions of the present invention, it is considered that the aromatic ring is not distorted, the functional group disappears, etc., and the defect is only a measurement problem. The compound may be considered to be composed of a ligand used as a raw material. Further, as described later, the porous polymer metal complex of the present invention may contain a solvent or water molecule in the complex molecule (crystal), but the structure of the porous polymer metal complex of the present invention is clear. is there.

2価の遷移金属イオンと配位子との結合は、図4に示されるように、二個の2価の遷移金属イオン(M)に対し、4個のイソフタル酸型の配位子のそれぞれ1個カルボキシル基(C1−C4)が合計4個配位して、電荷が相殺されている。4個のカルボキシル基(C1−C4)のうち1個(C1)は、酸素原子2個ともが同一の2価の遷移金属イオンに配位し、4個のカルボキシル基のうち2個(C2,C3)は酸素原子が別々の2価の遷移金属イオンに配位し、4個のカルボキシル基のうち最後の1個のカルボキシル基(C4)は、その2個の酸素原子のうち1個の酸素原子が一つの2価の遷移金属イオンに配位そ、もう一つの酸素原子が二個の2価の遷移金属イオンに配位している、複雑な配位構造を有している。ただし、どの2価の遷移金属イオンに配位しているかは、配位結合の距離の定義により変化しうるため、前述はある一定の結合距離においての説明に過ぎず、結合距離の定義を変化させた場合には違った配位様式に見える場合もあるが、これらは実質的に同一である。   As shown in FIG. 4, the bond between the divalent transition metal ion and the ligand is such that each of the four isophthalic acid type ligands corresponds to two divalent transition metal ions (M). A total of four carboxyl groups (C1-C4) are coordinated to cancel the charge. One of four carboxyl groups (C1-C4) (C1) is coordinated to a divalent transition metal ion in which both two oxygen atoms are the same, and two of the four carboxyl groups (C2, In C3), the oxygen atom is coordinated to a separate divalent transition metal ion, and the last one of the four carboxyl groups (C4) is one oxygen in the two oxygen atoms. It has a complex coordination structure in which atoms are coordinated to one divalent transition metal ion and another oxygen atom is coordinated to two divalent transition metal ions. However, to which divalent transition metal ion is coordinated can vary depending on the definition of the coordinate bond distance, the above description is only a description of a certain bond distance, and the bond distance definition is changed. They may appear to be different coordination forms, but they are substantially the same.

このような複雑なSBU4個が、4個のイソフタル酸型配位子によりそれぞれの間を架橋されることで、四隅にそれぞれSBUが配置した四角い最小単位の格子が形成され、これが連続体となる事で、平面四角格子ネットークが形成される(図2)。さらにこの平面が積層する事で積層体が形成される。この際、イソフタル酸型配位子に置換しているパーフルオロアルキル基が層の間に凝集部を形成することになる(図3)。なお、図3では、平面四角格子ネットークの層間に溶媒分子や水分子などが入り込んでいるが、これらの分子は軽い加熱により容易に除去される。   Four such complex SBUs are bridged between each other by four isophthalic acid type ligands to form a square minimum unit lattice in which SBUs are arranged at the four corners, which becomes a continuum. Thus, a planar square lattice network is formed (FIG. 2). Furthermore, a laminated body is formed by laminating these planes. At this time, the perfluoroalkyl group substituted with the isophthalic acid type ligand forms an agglomerated portion between the layers (FIG. 3). In FIG. 3, solvent molecules, water molecules, and the like enter between the layers of the planar square lattice network, but these molecules are easily removed by light heating.

本発明の多孔性高分子金属錯体は多孔体であるため、水やアルコールやエーテルなどの有機分子に触れると孔内に水や有機溶媒を含有し、たとえば式(2)
[MX]n(G)m (2)
(式中、Mは2価の遷移金属イオン、Xは炭素数1から10であるパーフルオロアルキル基を5位に有するイソフタル酸誘導体配位子である。Gは後述のような合成に使用した溶媒分子や空気中の水分子であり、通常ゲスト分子と呼ばれる。nは、[MX]から成る構成単位が多数集合しているという特性を示すもので、nの大きさは特に限定されない。mは2価の遷移金属イオン1に対して0.2から6である。)であるような複合錯体に変化する場合がある。
Since the porous polymer metal complex of the present invention is a porous body, when it comes into contact with organic molecules such as water, alcohol or ether, it contains water or an organic solvent in the pore.
[MX] n (G) m (2)
(In the formula, M is a divalent transition metal ion, X is an isophthalic acid derivative ligand having a perfluoroalkyl group having 1 to 10 carbon atoms at the 5-position. G was used for the synthesis as described later. Solvent molecules and water molecules in the air, usually called guest molecules, where n is a characteristic that many structural units composed of [MX] are assembled, and the size of n is not particularly limited. May be 0.2 to 6 with respect to the divalent transition metal ion 1).

しかし、これらの複合錯体中の上記Gで表されるゲスト分子は、多孔性高分子金属錯体に弱く結合しているだけであり、ガス吸着材として利用する際の減圧乾燥などの前処理によって除かれ、元の式(1)で表される錯体に戻る。そのため、式(2)で表されるような錯体であっても、本質的には本発明の多孔性高分子金属錯体と同一物と見なすことができる。   However, the guest molecule represented by G in these complex complexes is only weakly bonded to the porous polymer metal complex, and is removed by pretreatment such as vacuum drying when used as a gas adsorbent. Return to the complex represented by the original formula (1). Therefore, even a complex represented by the formula (2) can be regarded as essentially the same as the porous polymer metal complex of the present invention.

また本発明の多孔性高分子金属錯体は、2価の遷移金属イオンに後述のような合成に使用した溶媒分子や空気中の水分子が配位し、たとえば式(3)
[MXLz]n (3)
(式中、Mは2価の遷移金属イオン、Xは炭素数1から10であるパーフルオロアルキル基を5位に有するイソフタル酸誘導体配位子である。Lは後述のような合成に使用した溶媒分子や空気中の水分子である。nは、[MX]から成る構成単位が多数集合しているという特性を示すもので、nの大きさは特に限定されない。zは2価の遷移金属イオン1に対して1または2である。)であるような複合錯体に変化する場合がある。
The porous polymer metal complex of the present invention is coordinated with divalent transition metal ions by solvent molecules used in the synthesis as described later and water molecules in the air.
[MXLz] n (3)
(In the formula, M is a divalent transition metal ion, X is an isophthalic acid derivative ligand having a perfluoroalkyl group having 1 to 10 carbon atoms in the 5-position. L is used in the synthesis as described below. Solvent molecules and water molecules in the air, where n is a characteristic that a large number of structural units consisting of [MX] are assembled, and the size of n is not particularly limited, z is a divalent transition metal 1 or 2 with respect to ion 1).

しかし、これらの複合錯体中の上記Lで表される配位性の分子は、2価の遷移金属イオンに弱く結合しているだけであり、ガス吸着材として利用する際の減圧乾燥などの前処理によって除かれ、元の式(1)で表される錯体に戻る。そのため、式(3)で表されるような錯体であっても、本質的には本発明の多孔性高分子金属錯体と同一物と見なすことができる。   However, the coordinating molecule represented by L in these complex complexes is only weakly bonded to the divalent transition metal ion, and is used before drying under reduced pressure when used as a gas adsorbent. It is removed by the treatment and returns to the complex represented by the original formula (1). Therefore, even a complex represented by the formula (3) can be regarded as essentially the same as the porous polymer metal complex of the present invention.

本発明のふっ素を含有し、二次元積層型のネットワーク構造を有する新規な多孔性高分子金属錯体において、金属イオンは2価の遷移金属イオンである。2価の遷移金属イオンは上記の配位構造を安定的に形成するので好ましい。2価の遷移金属イオンの具体例としては、コバルトイオン、ニッケルイオン、亜鉛イオン、銅イオンが挙げられる。得られた多孔性高分子金属錯体の化学的安定性の観点から、銅イオン、コバルトイオンが好ましく、酸素吸着性の観点からはコバルトイオンがさらに好ましい。   In the novel porous polymer metal complex containing the fluorine of the present invention and having a two-dimensional laminated network structure, the metal ion is a divalent transition metal ion. A divalent transition metal ion is preferable because it stably forms the above coordination structure. Specific examples of divalent transition metal ions include cobalt ions, nickel ions, zinc ions, and copper ions. From the viewpoint of chemical stability of the obtained porous polymer metal complex, copper ions and cobalt ions are preferable, and from the viewpoint of oxygen adsorption, cobalt ions are more preferable.

本発明の多孔性高分子金属錯体に用いる5位にパーフルオロアルキル基を有するイソフタル酸型配位子は、5位のパーフルオロアルキル基としては直鎖状または枝分かれのある炭素数1から10であるパーフルオロアルキル基のいずれでもよく、特にガス分離特性が優れる点で、CF3,C25,n−C37,n−C49,n−C511,n−C817,n−C1021基が好ましい。ベンゼン環へのパーフルオロアルキル基の導入方法としては、たとえば、柴崎ら、Chem. Asian J. 2006, 1, 314 - 321を参照することができる。 The isophthalic acid type ligand having a perfluoroalkyl group at the 5-position used in the porous polymer metal complex of the present invention has a linear or branched carbon number of 1 to 10 as the 5-position perfluoroalkyl group. Any of the perfluoroalkyl groups may be used, and CF 3 , C 2 F 5 , n-C 3 F 7 , n-C 4 F 9 , n-C 5 F 11 , n- C 8 F 17 and n-C 10 F 21 groups are preferred. As a method for introducing a perfluoroalkyl group into the benzene ring, for example, Shibasaki et al., Chem. Asian J. 2006, 1, 314-321 can be referred to.

本発明では、式(1)で表される化合物は、2価の遷移金属イオンの供給源、炭素数1から10であるパーフルオロアルキル基を5位に有するイソフタル酸誘導体を使用し、これらを溶媒に溶かして溶液状態で混合し、ふっ素原子を有する芳香族化合物を共存させることで製造できる。   In the present invention, the compound represented by the formula (1) uses a divalent transition metal ion source, an isophthalic acid derivative having a perfluoroalkyl group having 1 to 10 carbon atoms at the 5-position, It can be produced by dissolving in a solvent and mixing in a solution state and allowing an aromatic compound having a fluorine atom to coexist.

本発明の製造方法で2価の遷移金属イオンの供給源としては遷移金属塩を使用することができる。コバルト塩としては、2価のコバルトイオンを含有している塩類であればよく、溶媒への溶解性が高いという点で、硝酸コバルト、酢酸コバルト、硫酸コバルト、ぎ酸コバルト、塩化コバルト、臭化コバルトが好ましく、反応性が高いという点で、硝酸コバルト、硫酸コバルトが特に好ましい。   A transition metal salt can be used as a source of divalent transition metal ions in the production method of the present invention. The cobalt salt may be any salt containing divalent cobalt ions, and is highly soluble in a solvent, and therefore, cobalt nitrate, cobalt acetate, cobalt sulfate, cobalt formate, cobalt chloride, bromide. Cobalt nitrate and cobalt sulfate are particularly preferable because cobalt is preferable and reactivity is high.

本発明の製造方法で使用する他の遷移金属塩である銅塩、亜鉛塩、ニッケル塩も、コバルト塩と同様に、2価の銅イオン、亜鉛イオン、ニッケルイオンを含有している塩類であればよく、溶媒への溶解性が高いという点で、硝酸塩、酢酸塩、硫酸塩、ぎ酸塩、塩化塩、臭化塩が好ましく、反応性が高いという点で、硝酸塩、硫酸塩が特に好ましい。   Other transition metal salts used in the production method of the present invention, such as copper salts, zinc salts and nickel salts, may be salts containing divalent copper ions, zinc ions and nickel ions as well as cobalt salts. Nitrate, acetate, sulfate, formate, chloride, and bromide are preferable in terms of high solubility in a solvent, and nitrate and sulfate are particularly preferable in terms of high reactivity. .

本発明の多孔性高分子金属錯体の製造に用いる5位にパーフルオロアルキル基を有するイソフタル酸誘導体は、5位にパーフルオロアルキル基を有するイソフタル酸型配位子として上記したものを用いることができる。 As the isophthalic acid derivative having a perfluoroalkyl group at the 5-position used for the production of the porous polymer metal complex of the present invention, the isophthalic acid type ligand having a perfluoroalkyl group at the 5-position may be used. it can.

本発明の反応で用いられる2価の遷移金属塩と配位子(5位にパーフルオロアルキル基を有するイソフタル酸湯導)の混合比率は、金属:配位子の比が1:5〜5:1のモル比であることが好ましく、より好ましくは1:3〜3:3のモル比の範囲内である。これ以外の範囲では、目的物の収率が低下し、また、未反応の原料が残留して、目的物の取り出しが困難となる恐れがある。   The mixing ratio of the divalent transition metal salt used in the reaction of the present invention and the ligand (isophthalic acid salt having a perfluoroalkyl group at the 5-position) is such that the ratio of metal: ligand is 1: 5-5. The molar ratio is preferably 1: 1, and more preferably within the range of 1: 3 to 3: 3. In other ranges, the yield of the target product decreases, and unreacted raw materials remain, making it difficult to take out the target product.

溶媒としては、アルコール類などのプロトン系溶媒とジメチルホルムアミドなどのアミド系溶媒の混合溶媒を利用すると良好な結果が得られる。アルコールなどのプロトン系溶媒及びジメチルアミド、ジメチルアセトアミドなどのアミド系溶媒は2価の遷移金属塩をよく溶解し、さらに2価の遷移金属イオンや対イオンに配位結合や水素結合することで2価の遷移金属塩を安定化し、配位子との急速な反応を抑制することで、副反応を抑制する。アルコール類の例としてはメタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、1−ブタノール、2−ブタノールなどの脂肪族系1価アルコール及びエチレングリコールなどの脂肪族系2価アルコール類を例示できる。安価でかつ2価の遷移金属塩の溶解性が高いという点でメタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、エチレングリコールが好ましい。またこれらのアルコール類は単独で用いてもよいし、複数を混合使用してもよい。アミド系溶媒の例としては、ジメチルホルムアミド、ジエチルホルムアミド、ジブチルホルムアミド、ジメチルアセトアミドなどが例示出来る。2価の遷移金属塩の溶解性が高いという点で、ジメチルホルムアミド、ジエチルホルムアミドが好ましい。   Good results can be obtained by using a mixed solvent of a proton solvent such as alcohols and an amide solvent such as dimethylformamide as the solvent. Protonic solvents such as alcohols and amide solvents such as dimethylamide and dimethylacetamide dissolve 2 divalent transition metal salts well, and further by coordination or hydrogen bonding to divalent transition metal ions or counter ions. Side reactions are suppressed by stabilizing valent transition metal salts and suppressing rapid reactions with ligands. Examples of alcohols include aliphatic monohydric alcohols such as methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol and 2-butanol, and aliphatic dihydric alcohols such as ethylene glycol. Methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, and ethylene glycol are preferable because they are inexpensive and have high solubility of the divalent transition metal salt. Moreover, these alcohols may be used alone or in combination. Examples of amide solvents include dimethylformamide, diethylformamide, dibutylformamide, dimethylacetamide and the like. Dimethylformamide and diethylformamide are preferred in that the solubility of the divalent transition metal salt is high.

アルコール類とアミ系溶媒の混合比率は1:99〜99:1(体積比)で任意である。配位子、遷移金属塩の両方の溶解性が高まり、副生成物の発生を抑制出来るという点で、混合比率は90:10〜10:90(体積比)、反応を加速できるという観点から80:20〜20:80(体積比)が好ましい。   The mixing ratio of the alcohol and the amino solvent is arbitrary from 1:99 to 99: 1 (volume ratio). From the viewpoint that the solubility of both the ligand and the transition metal salt is enhanced and the generation of by-products can be suppressed, the mixing ratio is 90:10 to 10:90 (volume ratio), and the reaction can be accelerated. : 20-20: 80 (volume ratio) is preferable.

溶媒として前記のアルコール類やアミド系溶媒の混合溶媒に別種の有機溶媒を混合して使用することも好ましい。アルコール類とアミド系溶媒からなる混合溶媒の別種の有機溶媒に対する混合比率は、30%以上にすることが、2価の遷移金属塩および配位子の溶解性を向上させる観点から好ましい。   It is also preferable to use a mixed organic solvent mixed with the above-mentioned alcohol or amide solvent as a solvent. From the viewpoint of improving the solubility of the divalent transition metal salt and the ligand, the mixing ratio of the mixed solvent composed of the alcohol and the amide solvent with respect to another organic solvent is preferably 30% or more.

本発明のパーフルオロアルキル基を有する二次元積層型のPCPを合成するためには、反応の際に、ふっ素原子を有する芳香族化合物を共存させる事が重要である。ふっ素原子は、芳香族環を形成する炭素原子に直接結合している必要がある。環は単環でも複環でもよい。環にはふっ素原子以外の極性の低いアルキル基が置換していても良いが、極性の高い水酸基のような含酸素官能基、アミノ基の様な含窒素官能基は含まれない方がよい。ふっ素原子の数は、一つの芳香環あたり1個以上6個以下、目的化合物の収率が向上するという点で、好ましくは1個以上4個以下である。具体的に例示すると、モノフルオロベンゼン、1,2ージフルオロベンゼン、1,3−ジフルオロベンゼン、1,2,3−トリフルオロベンゼン、1,3,5−トリフルオロベンゼン、ヘキサフルオロベンゼン、4−フルオロトルエン、1−フルオロナフタレン、パーフルオロナフタレンなどを例示出来る。安価に入手可能という点で、モノフルオロベンゼン、1,2ージフルオロベンゼン、1,3−ジフルオロベンゼン、1,2,3−トリフルオロベンゼン、1,3,5−トリフルオロベンゼンが好ましい。   In order to synthesize the two-dimensional stacked PCP having a perfluoroalkyl group of the present invention, it is important that an aromatic compound having a fluorine atom coexists in the reaction. The fluorine atom must be directly bonded to the carbon atom that forms the aromatic ring. The ring may be monocyclic or multicyclic. The ring may be substituted with a low-polarity alkyl group other than a fluorine atom, but it is preferable that an oxygen-containing functional group such as a highly polar hydroxyl group or a nitrogen-containing functional group such as an amino group is not included. The number of fluorine atoms is preferably 1 or more and 6 or less per aromatic ring, and preferably 1 or more and 4 or less in that the yield of the target compound is improved. Specifically, monofluorobenzene, 1,2-difluorobenzene, 1,3-difluorobenzene, 1,2,3-trifluorobenzene, 1,3,5-trifluorobenzene, hexafluorobenzene, 4- Examples thereof include fluorotoluene, 1-fluoronaphthalene and perfluoronaphthalene. Monofluorobenzene, 1,2-difluorobenzene, 1,3-difluorobenzene, 1,2,3-trifluorobenzene, and 1,3,5-trifluorobenzene are preferable in that they can be obtained at low cost.

ふっ素原子を有する芳香族化合物の添加量は、反応に使用する2価の遷移金属塩1モルに対し、0.001モル以上、200モル以下、目的物の収率が高い点で、0.005モル以上、20モル以下である。不純物減少の観点から、0.008モル以上、0.2モル以下である。   The addition amount of the aromatic compound having a fluorine atom is 0.001 mol or more and 200 mol or less with respect to 1 mol of the divalent transition metal salt used in the reaction. More than 20 mol and less than 20 mol. From the viewpoint of reducing impurities, the amount is 0.008 mol or more and 0.2 mol or less.

添加したふっ素原子を有する芳香族化合物は、添加剤としてネットワーク構造の形成に寄与するだけであり、ネットワーク構造そのものには含まれない。ただし、細孔内にゲスト分子として取込まれたり、あるいは反応終了後に目的物の粉末に不純物として含まれる可能性があるが、これは、添加したふっ素原子を有する芳香族化合物は多くの溶媒に可溶性であり、目的とするPCPは殆どの溶媒に不溶性であることから、反応後に得られた固体生成物を溶媒で洗浄することで添加したふっ素原子を有する芳香族化合物は目的PCPから除去または回収する事が可能である。   The aromatic compound having an added fluorine atom only contributes to the formation of the network structure as an additive, and is not included in the network structure itself. However, it may be incorporated as a guest molecule in the pores, or may be included as an impurity in the target powder after the reaction is complete, but this is because aromatic compounds having added fluorine atoms are in many solvents. Since the target PCP is soluble and insoluble in most solvents, aromatic compounds having fluorine atoms added by washing the solid product obtained after the reaction with the solvent are removed or recovered from the target PCP. It is possible to do.

本発明の方法では、反応促進剤として塩基を添加することも可能である。塩基は、配位子のカルボキシル基を陰イオンに変換する事で、反応を加速すると推定される。塩基としてはたとえば無機塩基として水酸化リチウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどが例示できる。有機塩基としては、トリエチルアミン、ジエチルイソプロピルアミン、ピリジン、2,6−ルチジンなどが例示出来る。反応加速性が高いという点で、水酸化リチウム、炭酸ナトリウム、水酸化ナトリウム、およびピリジンが好ましい。添加量としては、使用するイソフタル酸の総モルに対し、反応の加速効果が顕著であるという点で好ましくは0.1〜6.0モル、副反応少ないという点でさらに好ましくは0.5から4.0モルである。   In the method of the present invention, a base can be added as a reaction accelerator. The base is presumed to accelerate the reaction by converting the carboxyl group of the ligand into an anion. Examples of the base include lithium hydroxide, sodium carbonate, potassium carbonate, sodium hydroxide, potassium hydroxide and the like as inorganic bases. Examples of the organic base include triethylamine, diethylisopropylamine, pyridine, 2,6-lutidine and the like. Lithium hydroxide, sodium carbonate, sodium hydroxide, and pyridine are preferred because of their high reaction acceleration. The addition amount is preferably 0.1 to 6.0 mol in terms of the effect of accelerating the reaction with respect to the total moles of isophthalic acid used, and more preferably 0.5 to less in terms of side reactions. 4.0 moles.

本発明の方法では、反応制御剤として有機酸を添加することも可能である。有機酸は、配位子のカルボキシル基の酸としての解離を制御することで、反応が適切に進む事を制御していると考えられる。脂肪族の有機酸としては、酢酸、プロピオン酸などの1価の酸、シュウ酸、マロン酸などの2価の酸、ビシクロ[2,2,2」-オクタン-1,4-ジカルボン酸などの環状カルボン酸が挙げられる。芳香族の有機酸としては、安息香酸、4−メチル安息香酸などの1価の酸が挙げられる。これらの内、溶解性が高く、2価の遷移金属イオンに配位が強すぎない酢酸、安息香酸、ビシクロ[2,2,2」-オクタン-1,4-ジカルボン酸が好ましい。添加量としては、使用する配位子の総モルに対し、反応の効果が顕著であるという点で好ましくは0.1〜12.0モル、副反応が少ないという点でさらに好ましくは0.5から8.0モルである。   In the method of the present invention, an organic acid can be added as a reaction control agent. It is considered that the organic acid controls the proper progress of the reaction by controlling the dissociation of the carboxyl group of the ligand as an acid. Aliphatic organic acids include monovalent acids such as acetic acid and propionic acid, divalent acids such as oxalic acid and malonic acid, and bicyclo [2,2,2] -octane-1,4-dicarboxylic acid. A cyclic carboxylic acid is mentioned. Examples of the aromatic organic acid include monovalent acids such as benzoic acid and 4-methylbenzoic acid. Of these, acetic acid, benzoic acid, and bicyclo [2,2,2] -octane-1,4-dicarboxylic acid, which have high solubility and are not highly coordinated to the divalent transition metal ion, are preferable. The amount added is preferably 0.1 to 12.0 mol in terms of the effect of the reaction with respect to the total mol of the ligand used, and more preferably 0.5 in terms of few side reactions. To 8.0 moles.

2価の遷移金属塩の溶液および配位子を反応させるに当たり、2価の遷移金属塩および配位子を容器に装填した後、溶媒を添加する方法以外に、2価の遷移金属塩、配位子をそれぞれ別個に溶液として調製した後、これらの溶液を混合してもよい。   In the reaction of the divalent transition metal salt solution and the ligand, in addition to the method of adding the solvent after the divalent transition metal salt and the ligand are charged into the container, the divalent transition metal salt, These solutions may be mixed after preparing the ligands separately as solutions.

2価の遷移金属塩および配位子をそれぞれの溶液として混合する場合、溶液の濃度としては、2価の遷移金属塩溶液は10μmol/L〜4mol/Lが好ましく、100μmol/L〜2mol/Lであることがより好ましい。配位子の有機溶液は10μmol/L〜3mol/Lが好ましく、100μmol/L〜2mol/Lであることがより好ましい。これより低い濃度で反応を行っても目的物は得られるが、製造効率が低下するため好ましくない。また、これより高い濃度では、吸着能が低下する恐れがある。   When the divalent transition metal salt and the ligand are mixed as respective solutions, the concentration of the solution is preferably 10 μmol / L to 4 mol / L, and 100 μmol / L to 2 mol / L for the divalent transition metal salt solution. It is more preferable that The organic solution of the ligand is preferably 10 μmol / L to 3 mol / L, and more preferably 100 μmol / L to 2 mol / L. Even if the reaction is carried out at a concentration lower than this, the desired product can be obtained, but this is not preferable because the production efficiency is lowered. Further, at a concentration higher than this, the adsorptive capacity may be lowered.

溶液の混合方法は、2価の遷移金属塩溶液に配位子溶液を添加しても、その逆でもよい。また、2価の遷移金属塩溶液と配位子溶液を、積層した後に自然拡散による方法で混合してもよい。混合法としては、必ずしも溶液で行う必要はなく、例えば、2価の遷移金属塩溶液に固体の配位子を投入し、同時に溶媒を入れる方法や、反応容器に2価の遷移金属塩を装填した後に、配位子の固体または溶液を注入し、さらに2価の遷移金属塩を溶かすための溶液を注入するなど、最終的に反応が実質的に溶媒中で起こる方法であれば、種々の方法が可能である。ただし、2価の遷移金属塩の溶液と配位子の溶液を滴下混合する方法が、工業的には最も操作が簡便であり、好ましい。   The solution may be mixed by adding the ligand solution to the divalent transition metal salt solution or vice versa. Moreover, after laminating | stacking a bivalent transition metal salt solution and a ligand solution, you may mix by the method by natural diffusion. As a mixing method, it is not always necessary to use a solution, for example, a method in which a solid ligand is added to a divalent transition metal salt solution and a solvent is simultaneously added, or a divalent transition metal salt is charged into a reaction vessel. After that, various methods can be used so long as the reaction finally takes place in a solvent, such as injecting a solid or solution of the ligand and further injecting a solution for dissolving the divalent transition metal salt. A method is possible. However, the method of dropping and mixing the divalent transition metal salt solution and the ligand solution is industrially the most convenient and preferable.

いずれの方法に於いても、二次元四角格子の積層型ネットワーク構造を形成させる為には、反応溶液を調製した後に静置することで、配位子と金属イオンの反応を適切な速度に保つことが好ましい。ここで、静置する温度は、−40℃〜180℃、副生生物の発生が抑制できるという点で、−20℃〜150℃が好ましい。静置する時間は、1時間〜3ヶ月、さらには副生生物が少ないという点で4時間〜2ヶ月であることが好ましい。   In any method, in order to form a two-dimensional square lattice stacked network structure, the reaction between the ligand and the metal ion is kept at an appropriate rate by preparing the reaction solution and then allowing it to stand. It is preferable. Here, the standing temperature is preferably −20 ° C. to 180 ° C., and −20 ° C. to 150 ° C. in that generation of by-products can be suppressed. The standing time is preferably 1 hour to 3 months, and more preferably 4 hours to 2 months in that there are few by-products.

反応は通常のガラスライニングのSUS製の反応容器および機械式攪拌機を使用して行うことができる。反応終了後は濾過、乾燥を行うことで目的物質と原料の分離を行い、純度の高い目的物質を製造することが可能である。   The reaction can be carried out using an ordinary glass-lined SUS reaction vessel and a mechanical stirrer. After completion of the reaction, the target substance and raw material can be separated by filtration and drying to produce a target substance with high purity.

上記の反応により得られた多孔性高分子金属錯体が目的とする二次元四角格子の積層型のネットワーク構造を有しているかどうかは、単結晶X線結晶解析により得られた反射を解析することで確認することが出来る。上記の反応により得られた多孔性高分子金属錯体のガス吸着能は、市販のガス吸着装置を用いて測定が可能である。   Whether the porous polymer metal complex obtained by the above reaction has the desired two-dimensional square lattice laminated network structure is analyzed by analyzing the reflection obtained by single crystal X-ray crystal analysis. It can be confirmed with. The gas adsorption ability of the porous polymer metal complex obtained by the above reaction can be measured using a commercially available gas adsorption apparatus.

本発明の多孔性高分子金属錯体は、原料として複数種のふっ素原子を含有する側鎖を有するフタル酸誘導体配位子を混合使用して、使用した複数種の配位子を含有する多孔性高分子金属錯体を合成する、いわゆる固溶体型の多孔性高分子金属錯体を形成する事が可能であることが確認された。   The porous polymer metal complex of the present invention is a porous material containing plural kinds of ligands used by mixing phthalic acid derivative ligands having side chains containing plural kinds of fluorine atoms as raw materials. It was confirmed that it is possible to form a so-called solid solution type porous polymer metal complex that synthesizes a polymer metal complex.

本発明の多孔性高分子金属錯体は、二次元積層型のネットワーク構造であり、さらにこの層の上下(層の間)には、二次元ネットワーク構造からパーフルオロアルキル基が突き出している。この層間に存在するふっ素原子の影響で、積層状態にあるネットワーク構造が、ふっ素凝集部を持たない積層型PCPと比較して容易に滑りやすく、そのために独特のガス吸着特性が発現しうると考えられる。しかし、本発明は理論に拘束されるものではなく、本発明の多孔性高分子金属錯体の特性もこの理論によって制限されるものではない。   The porous polymer metal complex of the present invention has a two-dimensional laminated network structure, and perfluoroalkyl groups protrude from the two-dimensional network structure above and below (between the layers) of this layer. Due to the influence of the fluorine atoms existing between the layers, the network structure in the laminated state is easily slippery compared to the laminated PCP having no fluorine agglomerated part, and therefore, a unique gas adsorption characteristic can be developed. It is done. However, the present invention is not bound by theory, and the characteristics of the porous polymer metal complex of the present invention are not limited by this theory.

多孔性高分子金属錯体の調製方法は種々の条件があり、一義的に決定できるものではないが、ここでは実施例に基づき説明する。
粉末X線回折測定には、ブルカーAX(株)社製粉末X線装置DISCOVER D8 with GADDSを用いた。
The preparation method of the porous polymer metal complex has various conditions and cannot be uniquely determined, but here, it will be described based on examples.
For powder X-ray diffraction measurement, a powder X-ray apparatus DISCOVER D8 with GADDS manufactured by Bruker AX Co., Ltd. was used.

実施例1
硝酸コバルト3水和物0.01ミリモル、5−ペンタフルオロエチルイソフタル酸(5位にCF基を有するイソフタル酸)0.01ミリモル、モノフルオロベンゼン0.001ミリモル、エタノール1mL、ジメチルホルムアミド1mLを直径5ミリのガラス試験管に入れ、蓋をして、オイルバスにて120℃で3日間加熱した。得られた単結晶を大気に暴露させないようにパラトンにてコーティングした後、(株)リガク社製単結晶測定装置(極微小結晶用単結晶構造解析装置VariMax、MoK・線(λ=0.71069Å))にて測定し(照射時間8秒、d=45ミリ、2θ=−20,温度=−180℃)、得られた回折像を解析ソフトウエア、リガク(株)製解析ソフトウエア「CrystalStructure」を使用して解析し、図1〜4に示したものとパーフルオロカーボン基を除き基本的に同じ、二次元積層型のネットワーク構造であり、層の間にはパーフルオロアルキル基が突き出していることを確認した(a=10.9, b=16.25, c=23.29; α=90, β=100.8, γ=90; 空間群=P2)。
Example 1
Cobalt nitrate trihydrate 0.01 mmol, 5-pentafluoroethylisophthalic acid (isophthalic acid having C 2 F 5 group at 5-position) 0.01 mmol, monofluorobenzene 0.001 mmol, ethanol 1 mL, dimethylformamide 1 mL was put into a glass test tube having a diameter of 5 mm, covered, and heated in an oil bath at 120 ° C. for 3 days. After coating the obtained single crystal with Palaton so as not to be exposed to the atmosphere, a single crystal measuring device manufactured by Rigaku Co., Ltd. (single crystal structure analysis device VariMax for ultrafine crystal, MoK line (λ = 0.70109Å) )) (Irradiation time 8 seconds, d = 45 mm, 2θ = −20, temperature = −180 ° C.), and the obtained diffraction image is analyzed with analysis software, analysis software “CrystalStructure” manufactured by Rigaku Corporation. The basic structure is the same as the one shown in FIGS. 1 to 4 except for the perfluorocarbon group, and a perfluoroalkyl group protrudes between the layers. (A = 10.9, b = 16.25, c = 23.29; α = 90, β = 100.8, γ = 90; space group = P2).

すなわち、実施例1で得られた物質は、コバルトイオンとイソフタル酸誘導体配位子(5−ペンタフルオロエチルイソフタル酸)から構成される四角い格子から成る層状構造ネットワークが形成され、その層状構造ネットワークが積層され、それらの層の間にイソフタル酸誘導体の5位のパーフルオロアルキル基が突き出して、パーフルオロアルキル基が凝集した部分が存在する、多孔性高分子金属錯体であり、かつ、二個の2価の遷移金属イオンに対し、4個のイソフタル酸型の配位子のカルボキシル基がそれぞれ1個、合計4個配位し、前記カルボキシル基のうち1個は、酸素原子2個ともが同一の遷移金属イオンに配位し、前記カルボキシル基のうち2個は酸素原子が別々の遷移金属イオンに配位し、前記カルボキシル基のうち残りの1個のカルボキシル基は、その1個の酸素原子は一つの金属イオン、もう一個の酸素原子は二個の金属イオンに配位している、配位構造を有していた。   That is, the substance obtained in Example 1 is formed with a layered structure network composed of a square lattice composed of cobalt ions and an isophthalic acid derivative ligand (5-pentafluoroethylisophthalic acid). A porous polymer metal complex, which is laminated, has a perfluoroalkyl group at the 5-position of the isophthalic acid derivative protruding between the layers, and a portion where the perfluoroalkyl group is aggregated, and two For each divalent transition metal ion, four carboxyl groups of the four isophthalic acid type ligands are coordinated in total, and one of the carboxyl groups has the same two oxygen atoms. And two of the carboxyl groups coordinate oxygen atoms to different transition metal ions, and the rest of the carboxyl groups. Number of carboxyl groups, the one oxygen atom is one metal ion, one more oxygen atoms are coordinated to two metal ions, it had a coordination structure.

実施例2
硝酸コバルト3水和物0.01ミリモル、5−ヘニコサフルオロデシルイソフタル酸(5位にC10F21基を有するイソフタル酸)0.01ミリモル、モノフルオロベンゼン0.001ミリモル、エタノール1mL、ジメチルホルムアミド1mLを直径5ミリのガラス試験管に入れ、蓋をして、オイルバスにて80℃で3日間加熱した。得られた単結晶からX線回折分析により、実施例1と同様の二次元積層型のネットワーク構造であることを確認した。(a=10.278(8), b=17.301(13), c=28.014(2); α=90, β=90.731, γ=90; 空間群=P2)。
Example 2
Cobalt nitrate trihydrate 0.01 mmol, 5-Henicosafluorodecylisophthalic acid (isophthalic acid having a C 10 F 21 group at the 5-position) 0.01 mmol, monofluorobenzene 0.001 mmol, ethanol 1 mL, dimethyl 1 mL of formamide was placed in a glass test tube having a diameter of 5 mm, covered, and heated in an oil bath at 80 ° C. for 3 days. From the obtained single crystal, it was confirmed by X-ray diffraction analysis that it was the same two-dimensional laminated network structure as in Example 1. (A = 10.278 (8), b = 17.301 (13), c = 28.014 (2); α = 90, β = 90.731, γ = 90; space group = P2 1 ).

実施例3
硝酸銅3水和物0.01ミリモル、5−トリフルオロメチルイソフタル酸(5位にCF3基を有するイソフタル酸)0.01ミリモル、ペンタフルオロベンゼン0.001ミリモル、メタノール1mL、ジメチルホルムアミド1mLを直径5ミリのガラス試験管に入れ、蓋をして、オイルバスにて80℃で3日間加熱した。得られた単結晶からX線回折分析により、実施例1と同様の二次元積層型のネットワーク構造であることが明らかになった。(a=10.79, b=16.33, c=24.192; α=90, β=103.1, γ=90; 空間群=P2)。
Example 3
Copper nitrate trihydrate 0.01 mmol, 5-trifluoromethylisophthalic acid (isophthalic acid having a CF 3 group at the 5-position) 0.01 mmol, pentafluorobenzene 0.001 mmol, methanol 1 mL, dimethylformamide 1 mL The sample was put in a glass test tube having a diameter of 5 mm, covered, and heated in an oil bath at 80 ° C. for 3 days. From the obtained single crystal, the X-ray diffraction analysis revealed that it was the same two-dimensional laminated network structure as in Example 1. (A = 1.79, b = 16.33, c = 24.192; α = 90, β = 103.1, γ = 90; space group = P2).

実施例4
硝酸亜鉛3水和物0.01ミリモル、5−ウンデカフルオロペンチルイソフタル酸(5位にC5F11基を有するイソフタル酸)0.01ミリモル、1,3,5−トリフルオロベンゼン0.001ミリモル、エタノール1mL、ジメチルホルムアミド1mLを直径5ミリのガラス試験管に入れ、蓋をして、オイルバスにて80℃で3日間加熱した。得られた単結晶からX線回折分析により、実施例1と同様の二次元積層型のネットワーク構造であることが明らかになった。(a=9.722(6), b=18.824(8), c=27.399(7); α=90, β=90.634, γ=90; 空間群=P2)。
Example 4
0.01 mmol of zinc nitrate trihydrate, 0.01 mmol of 5-undecafluoropentylisophthalic acid (isophthalic acid having a C 5 F 11 group at the 5-position), 1,3,5-trifluorobenzene 0.001 Mole, 1 mL of ethanol and 1 mL of dimethylformamide were placed in a glass test tube having a diameter of 5 mm, capped, and heated in an oil bath at 80 ° C. for 3 days. From the obtained single crystal, the X-ray diffraction analysis revealed that it was the same two-dimensional laminated network structure as in Example 1. (A = 9.722 (6), b = 18.824 (8), c = 27.399 (7); α = 90, β = 90.634, γ = 90; space group = P2 1 ).

実施例5
硝酸ニッケル3水和物0.01ミリモル、5−ノナフルオロブチルイソフタル酸(5位にC4F9基を有するイソフタル酸)0.01ミリモル、モノフルオロベンゼン0.001ミリモル、エタノール1mL、ジメチルホルムアミド1mLを直径5ミリのガラス試験管に入れ、蓋をして、オイルバスにて80℃で3日間加熱した。得られた単結晶からX線回折分析により、実施例1と同様の二次元積層型のネットワーク構造を有していることが明らかになった。(a=11.585(7), b=19.041(6), c=27.264(5); α=90, β=94.613, γ=90; 空間群=P2)。
Example 5
Nickel nitrate trihydrate 0.01 mmol, 5-nonafluorobutylisophthalic acid (isophthalic acid having a C 4 F 9 group at the 5-position) 0.01 mmol, monofluorobenzene 0.001 mmol, ethanol 1 mL, dimethylformamide 1 mL was put into a glass test tube having a diameter of 5 mm, covered, and heated in an oil bath at 80 ° C. for 3 days. From the obtained single crystal, X-ray diffraction analysis revealed that it had the same two-dimensional laminated network structure as in Example 1. (A = 11.585 (7), b = 19.041 (6), c = 27.264 (5); α = 90, β = 94.613, γ = 90; space group = P2).

比較例1
実施例1と同様の方法で、硝酸コバルト3水和物0.01ミリモル、5−ペンタフルオロエチルイソフタル酸(5位にCF基を有するイソフタル酸)0.01ミリモル、エタノール1mL、ジメチルホルムアミド1mLを用い、ただし含ふっ素芳香族化合物を添加せずに、合成した。得られた粉末を粉末X線装置により測定したところ、実施例1で得られた単結晶X線データからの粉末パターンシミュレーション結果とは異なっており、二次元積層構造が得られなかった事が判った。
Comparative Example 1
In the same manner as in Example 1, 0.01 mmol of cobalt nitrate trihydrate, 0.01 mmol of 5-pentafluoroethylisophthalic acid (isophthalic acid having a C 2 F 5 group at the 5-position), 1 mL of ethanol, dimethyl Synthesis was performed using 1 mL of formamide, but without adding a fluorine-containing aromatic compound. When the obtained powder was measured with a powder X-ray apparatus, it was different from the powder pattern simulation result from the single crystal X-ray data obtained in Example 1, and it was found that a two-dimensional laminated structure was not obtained. It was.

<ガス吸着の結果>
得られたガス吸着材の二酸化炭素、酸素、窒素および一酸化炭素の吸着性をBET自動吸着装置(日本ベル株式会社製ベルミニII)をもちいて評価した(測定温度:二酸化炭素は195K、および273K、酸素及び窒素は77K、一酸化炭素は273K)。測定に先立って試料を423Kで6時間真空乾燥して、微量残存している可能性がある溶媒分子などを除去した。
<Results of gas adsorption>
The adsorptivity of carbon dioxide, oxygen, nitrogen and carbon monoxide of the obtained gas adsorbent was evaluated using a BET automatic adsorption device (Bell Mini II manufactured by Bell Japan Co., Ltd.) (measurement temperature: carbon dioxide is 195K and 273K And 77K for oxygen and nitrogen and 273K for carbon monoxide). Prior to the measurement, the sample was vacuum-dried at 423 K for 6 hours to remove solvent molecules that may remain in a trace amount.

表1に、実施例1〜5で得られた多孔性高分子金属錯体のガス吸着特性吸を示す。いずれも二酸化炭素を良く吸着し、ガス貯蔵材として利用可能であることが判った。ふっ素原子を含んでいる物は、273Kでの二酸化炭素の吸着量及び酸素ガス吸着量が特に多いと言う優れた特性を有しており、これらはふっ素原子の特性が反映された物と考えられる。また、一酸化炭素の吸着性もよかった。また、いずれもゲート現象を示しており、層間に存在するパーフルオロアルキル基の効果と考えられる。   Table 1 shows gas adsorption characteristic absorption of the porous polymer metal complexes obtained in Examples 1 to 5. All of them adsorbed carbon dioxide well and were found to be usable as gas storage materials. The thing containing a fluorine atom has the outstanding characteristic that the adsorption amount of a carbon dioxide and oxygen gas adsorption amount in 273K are especially large, and these are considered the thing in which the characteristic of the fluorine atom was reflected. . Moreover, the adsorptivity of carbon monoxide was also good. In addition, all show a gate phenomenon, which is considered to be an effect of a perfluoroalkyl group existing between layers.

本発明の多孔性高分子金属錯体は、配位子の整列によって形成される多数の微細孔が物質内部に存在する。この多孔性を生かして二酸化炭素や特に酸素などのふっ素原子と親和性を有するガスの特異的な吸着が可能であり、これらのガスの分離、貯蔵に好適に使用出来る。   In the porous polymer metal complex of the present invention, a large number of micropores formed by alignment of ligands are present in the substance. Taking advantage of this porosity, specific adsorption of gas having affinity for fluorine atoms such as carbon dioxide and especially oxygen is possible, and it can be suitably used for separation and storage of these gases.

Claims (7)

下記式(1)
[MX]n (1)
(式中、Mはコバルトイオン、銅イオン、亜鉛イオン、ニッケルイオンから選ばれる2価の遷移金属イオン、Xは下記式:
(式中、Rfは炭素数1〜10のパーフルオロアルキル基である。)
で表される炭素数1から10であるパーフルオロアルキル基を5位に有するイソフタル酸誘導体(配位子)である。nは、[MX]から成る構成単位が多数集合しているという特性を示すもので、nの大きさは特に限定されない。)
で表され、ふっ素原子を含有し、二次元積層型ネットワーク構造を有している多孔性高分子金属錯体。
Following formula (1)
[MX] n (1)
(In the formula, M is a divalent transition metal ion selected from cobalt ion, copper ion, zinc ion and nickel ion, and X is the following formula:
(In the formula, Rf is a perfluoroalkyl group having 1 to 10 carbon atoms.)
Is an isophthalic acid derivative (ligand) having a perfluoroalkyl group having 1 to 10 carbon atoms represented by n indicates a characteristic that a large number of structural units composed of [MX] are gathered, and the size of n is not particularly limited. )
A porous polymer metal complex represented by the formula (1) and containing a fluorine atom and having a two-dimensional laminated network structure.
遷移金属イオンとイソフタル酸誘導体配位子から構成される四角い格子から成る層状構造ネットワークが形成され、その層状構造ネットワークが積層され、それらの層の間にイソフタル酸誘導体の5位のパーフルオロアルキル基が突き出して、パーフルオロアルキル基が凝集した部分が存在する、請求項1に記載の多孔性高分子金属錯体。   A layered structure network composed of a square lattice composed of transition metal ions and an isophthalic acid derivative ligand is formed, the layered structure network is laminated, and the perfluoroalkyl group at the 5-position of the isophthalic acid derivative is interposed between these layers. The porous polymer metal complex according to claim 1, wherein a portion where the perfluoroalkyl group is aggregated is present. 二個の2価の遷移金属イオンに対し、4個のイソフタル酸型の配位子のそれぞれ1個のカルボキシル基が合計4個配位し、前記カルボキシル基のうち1個は、酸素原子2個ともが同一の遷移金属イオンに配位し、前記カルボキシル基のうち2個はそれぞれ2個の酸素原子がそれぞれ別々の遷移金属イオンに配位し、前記カルボキシル基のうち残りの1個のカルボキシル基はその1個の酸素原子は一つの遷移金属イオンに配位し、もう一個の酸素原子は二個の遷移金属イオンに配位している、配位構造を有している、請求項1または2に記載の多孔性高分子金属錯体。   A total of four carboxyl groups of each of the four isophthalic acid type ligands coordinate to two divalent transition metal ions, and one of the carboxyl groups has two oxygen atoms. Both of them coordinate to the same transition metal ion, and two of the carboxyl groups each have two oxygen atoms coordinate to different transition metal ions, and the remaining one of the carboxyl groups 1 or 2 has a coordination structure in which one oxygen atom is coordinated to one transition metal ion and the other oxygen atom is coordinated to two transition metal ions. 2. The porous polymer metal complex according to 2. 前記パーフルオロアルキル基が、CFThe perfluoroalkyl group is CF 3Three ,C, C 22 F 5Five ,n−C, N-C 3Three F 77 ,n−C, N-C 4Four F 99 ,n−C, N-C 5Five F 1111 ,n−C, N-C 88 F 1717 ,n−C, N-C 10Ten F 21twenty one から選ばれる、請求項1〜3のいずれか1項に記載の多孔性高分子金属錯体。The porous polymer metal complex according to claim 1, which is selected from the group consisting of: 請求項1〜4のいずれか1項に記載の多孔性高分子金属錯体を含むガス吸着材。A gas adsorbent comprising the porous polymer metal complex according to claim 1. 請求項5に記載のガス吸着材を用いるガス分離装置。A gas separation device using the gas adsorbent according to claim 5. 請求項5に記載のガス吸着材を用いるガス貯蔵装置。A gas storage device using the gas adsorbent according to claim 5.
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