JP6468852B2 - 多孔性金属錯体成形体の製造方法 - Google Patents
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Description
[1]多孔性金属錯体を、乾式粉砕又は加圧成形した後に、水、アルコール、エーテル、ケトン、エステル、3級アミン、共役複素環化合物及びニトリルからなる群より選択される少なくとも一種の溶媒と接触させることを特徴とする多孔性金属錯体成形体の製造方法。
[2]前記溶媒が水、アルコール又はそれらの混合物である[1]に記載の多孔性金属錯体成形体の製造方法。
[3]前記アルコールが炭素数1〜5の脂肪族アルコールである[2]に記載の多孔性金属錯体成形体の製造方法。
[4]前記炭素数1〜5の脂肪族アルコールがメタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール及びペンタノールからなる群より選択される少なくとも一種である[3]に記載の多孔性金属錯体成形体の製造方法。
[5]前記エーテルが環状エーテルである[1]に記載の多孔性金属錯体成形体の製造方法。
[6]前記環状エーテルがテトラヒドロフラン、1,4−ジオキサン又はそれらの混合物である[5]に記載の多孔性金属錯体の製造方法。
[7]前記アルコールがメタノール、エタノール、プロパノール及びブタノールからなる群より選択される少なくとも一種であり、エーテルがテトラヒドロフラン、1,4−ジオキサン又はそれらの混合物であり、ケトンがアセトン、メチルエチルケトン又はそれらの混合物であり、エステルが酢酸エチル、酢酸−n−プロピル又はそれらの混合物であり、3級アミンがトリエチルアミンであり、共役複素環化合物がピリジンであり、ニトリルがアセトニトリルである[1]に記載の多孔性金属錯体成形体の製造方法。
[8]前記多孔性金属錯体を構成する有機配位子が、下記(1)〜(3):
(1)分子内に、カルボキシル基及び/又は水酸基を2つ以上有し、複素環を有さず、金属イオンに二座配位可能な有機化合物、
(2)分子内に、N、O又はSから選択される1個のヘテロ原子を有する単環式又は多環式の飽和又は不飽和の複素環と、カルボキシル基又は水酸基とを有する、金属イオンに二座配位可能な有機化合物、及び
(3)分子内に、1又は複数の環内にN、O及びSからなる群より選択されるヘテロ原子を2個以上有する、単環式又は多環式の飽和又は不飽和の複素環を1又は複数有する、金属イオンに二座配位可能な有機化合物
からなる群より選択される少なくとも1種の有機化合物である[1]〜[7]のいずれかに記載の多孔性金属錯体成形体の製造方法。
[9]前記多孔性金属錯体を構成する有機配位子が、炭素数4〜20のアルキレンジカルボン酸化合物、炭素数4〜20のアルケニレンジカルボン酸化合物、下記一般式(I)〜(III)で表されるジカルボン酸化合物:
[10]前記多孔性金属錯体を構成する金属原子のイオンがベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、ルテニウム、コバルト、ロジウム、ニッケル、パラジウム、白金、銅、亜鉛、及びカドミウムからなる群より選択される少なくとも1種の金属の陽イオンである[1]〜[9]のいずれかに記載の多孔性金属錯体成形体の製造方法。
[11]前記多孔性金属錯体の含有量が50〜99質量%である[1]〜[10]のいずれかに記載の多孔性金属錯体成形体の製造方法によって得られる多孔性金属錯体成形体。
本発明の多孔性金属錯体は有機配位子を金属原子又はそのイオンによって連結することで構成される無限骨格構造をもつ化合物であり、MOF(Metal Organic Framework)又はPCP(Porous Coordination Polymer)と称されることもある。本発明の多孔性金属錯体成形体の製造方法は、乾式粉砕又は加圧成形などの加圧工程を受けたことにより吸着性能が低下した、金属イオンと前記金属イオンと結合可能な有機配位子によって多孔質構造を構成している多孔性金属錯体(A)又はその成形体(B)を、溶媒(C)と接触させる工程を含むところに特徴を有する。
本発明により製造される多孔性金属錯体は、金属イオンと前記金属イオンと結合可能な有機配位子とから形成される多孔質構造を有している。この金属錯体は、圧力などの外部からの刺激によってその構造又はサイズの変化を伴いながら特定種類のガスのみを選択的に吸着できるような柔軟な構造を有する。
本発明の多孔性金属錯体を構成する金属イオンとしては、有機配位子との組織化により特定の分子を収容可能な細孔を形成できるものであれば特に限定されないが、好ましくはベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、ルテニウム、コバルト、ロジウム、ニッケル、パラジウム、白金、銅、亜鉛、及びカドミウムからなる群より選択される少なくとも1種の金属の陽イオンが挙げられる。金属イオンは、より好ましくはマグネシウム、アルミニウム、銅及び亜鉛からなる群より選択される少なくとも1種の金属イオンであり、もっとも好ましくは銅又は亜鉛である。
本発明の多孔性金属錯体を構成する有機配位子としては、分子内に金属イオンと配位結合可能な部位を2つ以上有し、金属イオンとの組織化により特定の分子を収容し得る細孔を複数有する多孔質構造を構成できる有機化合物であれば特に限定されないが、下記(1)〜(3):
(1)分子内に、カルボキシル基及び/又は水酸基を2つ以上有し、複素環を有さず、金属イオンに二座配位可能な有機化合物、
(2)分子内に、N、O又はSから選択される1個のヘテロ原子を有する単環式又は多環式の飽和又は不飽和の複素環と、カルボキシル基又は水酸基とを有する、金属イオンに二座配位可能な有機化合物、及び
(3)分子内に、1又は複数の環内にN、O及びSからなる群より選択されるヘテロ原子を2個以上有する、単環式又は多環式の飽和又は不飽和の複素環を1又は複数有する、金属イオンに二座配位可能な有機化合物
からなる群より選択される少なくとも1種の有機化合物であることが好ましい。
有機配位子(1)としては、炭素数4〜20のアルキレンジカルボン酸化合物(炭素数には、カルボキシル基を構成する炭素が含まれる)、炭素数4〜20のアルケニレンジカルボン酸化合物(炭素数には、カルボキシル基を構成する炭素が含まれる)、下記一般式(I)〜(IV)で表されるジカルボン酸化合物、及び下記一般式(V)で表されるヒドロキシカルボン酸化合物が挙げられる。
有機配位子(2)としては、下記一般式(VI)〜(VIII)で表される有機化合物が挙げられる。
有機配位子(3)としては、下記一般式(IX)〜(XII)で表される有機化合物が挙げられる。
多孔性金属錯体(A)は、上記金属の金属塩(例えば、硝酸塩、硫酸塩、蟻酸塩、酢酸塩、炭酸塩、塩酸塩、臭化水素酸塩、四フッ化ホウ酸塩、六フッ化リン酸塩等)と上述の有機配位子とを、水又は有機溶媒に溶解させ、数時間から数日間反応させることにより、溶媒からの析出物として得られる。有機溶媒としては、上記金属塩及び有機配位子が溶解するものであればよく、例えば、メタノール、エタノール、プロパノール、ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン、ヘキサン、シクロヘキサン、ベンゼン、トルエン、塩化メチレン、クロロホルム、アセトン、酢酸エチル、アセトニトリル、ジメチルスルホキシド(DMSO)、ジメチルホルムアミド(DMF)、水又はこれらの2種以上の混合溶媒等が使用できる。反応条件も特に限定されず、反応の進行度合いに応じて適宜調節すればよいが、例えば、反応温度は室温(25℃)〜150℃とするのが好ましい。また、上記反応は加圧下で行ってもよい。
本発明の多孔性金属錯体を含む成形体(B)に含まれる多孔性金属錯体(A)の量は50質量%〜99質量%であることが好ましい。吸着性能及び成形体の生産性を考慮すると、多孔性金属錯体(A)の含有量は60質量%〜95質量%であることがより好ましい。多孔性金属錯体(A)の含有量が50質量%未満では単位質量当たりのガスの吸着効率が悪くなり、一方95質量%を超えると成形体の生産性が低下したり、強度が得られなくなったりする傾向がある。
本発明では乾式粉砕又は加圧成形により吸着性能の低下した多孔性金属錯体に、特定の溶媒を接触させることでその性能を回復させる。溶媒との接触の方法としては、溶媒蒸気への曝露、液体溶媒への直接浸漬等が挙げられる。接触する溶媒の形態は気体でも液体でも好ましい方を選択すればよく、より高い圧力で溶媒蒸気又は液体と接触させることで短時間での再生が期待できる。溶媒接触工程の温度、圧力、溶媒との接触時間等の条件、接触後の溶媒との分離方法等を鑑みて適した方法を選択すればよい。
高圧ガス吸着装置を用いて容量法で測定を行う。測定に先立って試料を150℃、50Paで6時間乾燥し、吸着水などを除去する。分析条件の詳細を以下に示す。
装置:日本ベル株式会社製BELSORP(登録商標)−18HT、又は日本ベル株式会社製BELSORP(登録商標)−HP
平衡待ち時間:500秒
株式会社リガク製のX線回折装置マルチフレックスを用いて、回折角(2θ)=3〜50°の範囲を走査速度3°/分で走査し、対称反射法で測定する。
[Zn(NO2ip)(bpe)0.8(bpa)0.2]の合成
ジルコニア製容器(45mL)に、酸化亜鉛(0.41g,5.0mmol,1eq.)、5−ニトロイソフタル酸(1.06g,5.0mmol,1.0eq.)、1,2−ジ(4−ピリジル)エタン(0.18g,1.0mmol,0.2eq.)、1,2−ジ(4−ピリジル)エチレン(0.73g,4.0mmol,0.8eq.)、蒸留水(5mL)、及びジルコニアボール(3mmφ、25g)を加え、常温(25℃)、400rpmで1時間、反応させながら湿式摩砕(フリッチュ社クラシックラインP−7を使用)した。その後、内容物を桐山漏斗(登録商標)を用いて濾過し、析出した金属錯体をイオン交換水、エタノールの順で洗浄後、乾燥した。多孔性金属錯体(1)が白色固体粉として2.09g(収率:91%)得られた。この多孔性金属錯体(1)の1,3−ブタジエン及び1−ブテンの吸着等温線並びに粉末X線回折パターンをそれぞれ図1、3及び6に示す。
得られた多孔性金属錯体(1)0.97gにグラファイト(日本黒鉛工業株式会社製、ACP)0.03gを加えよく混合したものを、打錠成形機を用いて打錠圧600MPaで打錠して、厚み約4mm、直径5mmの円柱状の成形体(ペレット)を製造した。製造したペレットを乳鉢で砕き0.25mm以下の粉体で金属錯体(1−1)を得た。
ガラス製50mLサンプル管に、別のガラス製10mLサンプル管を入れ、10mLのサンプル管に蓋をせずに打錠して粉砕した金属錯体(1−1)を入れ、10mLのサンプル管の外側にメタノール(和光純薬工業株式会社製、特級試薬)5gを入れ、50mLサンプル管を密栓し、室温(25℃)で3日間静置した後、10mLのサンプル管を取出して減圧乾燥して金属錯体(1−2)を得た。
成形体の製造
多孔性金属錯体(1)87質量部、高分子バインダー(メタクリル酸メチルとメタクリル酸の共重合体(75:25(モル比)、polysciences社製)10質量部を、テトラヒドロフラン200質量部を混合して乳鉢で混練し、風乾しながら粉砕し、0.5mmメッシュの篩を通過したものを造粒品として得た。これに滑剤(3)としてグラファイト(日本黒鉛工業株式会社製、ACP)を、成形体100質量部に3質量部含まれるように加えてよく混合したものを、室温で打錠成形機を用いて成形体を製造した。得られた成形体を150℃、50Paで6時間以上減圧乾燥し、吸着水などを除去して金属錯体(1−3)を得た。
ガラス製50mLサンプル管に、別のガラス製10mLサンプル管を入れ、10mLのサンプル管に蓋をせずに打錠した金属錯体(1−3)を入れ、10mLのサンプル管の外側にメタノール(和光純薬工業株式会社製、特級試薬)5gを入れ、50mLサンプル管を密栓し、室温(25℃)で10日間静置した後、10mLのサンプル管を取出して減圧乾燥して金属錯体(1−4)を得た。
溶媒との接触
実施例1のメタノールを入れない以外は同じ操作を実施して、金属錯体(1−5)を得た。金属錯体(1−5)の粉末X線回折パターンを図7に示す。
溶媒との接触
実施例1のメタノールの代わりに酢酸(和光純薬工業株式会社製、特級試薬)5gを用いた以外は同じ操作を実施して、金属錯体(1−6)を得た。金属錯体(1−6)の粉末X線回折パターンを図8に示す。
溶媒との接触
実施例1のメタノールの代わりに25%アンモニア水(和光純薬工業株式会社製、特級試薬)5gを用いた以外は同じ操作を実施して、金属錯体(1−7)を得た。金属錯体(1−7)の粉末X線回折パターンを図9に示す。
溶媒との接触
実施例2のメタノールを入れない以外は同じ操作を実施して、金属錯体(1−8)を得た。
Cu3(BTC)2(H2O)3の合成
1Lバイアル瓶に蒸留水(83.3mL)、エタノール(83.3mL)、ジメチルホルムアミド(83.3mL)の混合溶液を加え、さらに1,3,5−ベンゼントリカルボン酸(BTC、5.02g、23.9mmol)、硝酸銅(II)三水和物(10.1g、41.8mmol)を加えた。このバイアルを85℃で25時間加熱し青色の金属錯体粉末を得た。その後、上澄み液を除去し、ジメチルホルムアミド200mLを用いて2回洗浄し、ジクロロエタン200mLを加えて1日静置した。その後、上澄み液を取り除き、ジクロロメタン200mLを加えて1日静置する操作を2回行った。上澄み液を除去し、170℃で2時間、加熱真空引き乾燥して固体粉として多孔性金属錯体(2)を得た。多孔性金属錯体(2)の粉末X線回折パターンを図10に示す。
20mLジルコニア容器に、得られた多孔性金属錯体(2)0.2gにジルコニアボール(10mmφ、10個)を加え、常温(25℃)、400rpmで1時間、乾式粉砕(フリッチュ社プレミアムラインP−7を使用)して金属錯体(2−1)を得た。
乾式粉砕後の金属錯体(2−1)を25℃、湿度95%下で3時間静置して金属錯体(2−2)を得た。
溶媒への接触
実施例3の湿度95%を湿度5%未満にした以外は同じ操作を実施して、金属錯体(2−3)を得た。
Al(OH)(1,4−ndc)の合成
23mLテフロン(登録商標)容器に硝酸アルミニウム九水和物(0.375g、1.0mmol)、1,4−ナフタレンジカルボン酸(1,4−ndc、0.108g、0.5mmol)、蒸留水10mLを加え、180℃で1日加熱した。その後、内容物を桐山漏斗(登録商標)を用いて濾過し、析出した黄色粉末の金属錯体を蒸留水で洗浄後、150℃で12時間真空引き乾燥して固体粉として多孔性金属錯体(3)を得た。多孔性金属錯体(3)の粉末X線回折パターンを図12に示す。
20mLジルコニア容器に、得られた多孔性金属錯体(3)0.2gにジルコニアボール(10mmφ、10個)を加え、常温(25℃)、400rpmで1時間、乾式粉砕(フリッチュ社プレミアムラインP−7を使用)して金属錯体(3−1)を得た。
乾式粉砕後の金属錯体錯体(3−1)を25℃、湿度95%下で8日間静置して金属錯体(3−2)を得た。
溶媒への接触
実施例4の湿度95%を湿度5%未満にした以外は同じ操作を実施して、金属錯体(3−3)を得た。
Zn2(2,5−DHTA)の合成
400mL瓶に2,5−ジヒドロキシテレフタル酸(2,5−DHTA、1g、5.0mmol)、硝酸亜鉛六水和物(4.52g、15.2mmol)、及びジメチルホルムアミド(100mL)を加え、ソニケーションを行い溶解させた。水5mLを加え、さらにソニケーションを行い、瓶の蓋を閉め、110℃で21.5時間加熱し、粉末の金属錯体を得た。上澄み液を取り除き、ジメチルホルムアミド、及びメタノールを用いて3回洗浄した。その後メタノールに3日浸し、上澄み液を取り除き265℃で加熱真空引き乾燥して固体粉として多孔性金属錯体(4)を得た。多孔性金属錯体(4)の粉末X線回折パターンを図14に示す。
20mLジルコニア容器に、得られた多孔性金属錯体(4)0.2gにジルコニアボール(10mmφ、10個)を加え、常温(25℃)、400rpmで1時間、乾式粉砕(フリッチュ社プレミアムラインP−7を使用)して金属錯体(4−1)を得た。
乾式粉砕後の金属錯体錯体(4−1)を25℃、湿度95%下で8日間静置して金属錯体(4−2)を得た。
溶媒への接触
実施例5の湿度95%を湿度5%未満にした以外は同じ操作を実施して、金属錯体(4−3)を得た。
実施例1及び比較例1の金属錯体(1−2)及び(1−5)について25℃における1,3−ブタジエンの吸着等温線を測定した。結果を図2に示す。実施例1の金属錯体(1−2)は、比較例1の金属錯体(1−5)に比べて低圧部でのブタジエン吸着量が多い。よって、本発明の錯体が吸着材として優れているのは明らかである。
Claims (10)
- 多孔性金属錯体を加圧成形した後に、水、アルコール、エーテル、ケトン、エステル、3級アミン、共役複素環化合物及びニトリルからなる群より選択される少なくとも一種の溶媒と接触させることを特徴とする多孔性金属錯体成形体の製造方法。
- 前記溶媒が水、アルコール又はそれらの混合物である請求項1に記載の多孔性金属錯体成形体の製造方法。
- 前記アルコールが炭素数1〜5の脂肪族アルコールである請求項2に記載の多孔性金属錯体成形体の製造方法。
- 前記炭素数1〜5の脂肪族アルコールがメタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール及びペンタノールからなる群より選択される少なくとも一種である請求項3に記載の多孔性金属錯体成形体の製造方法。
- 前記エーテルが環状エーテルである請求項1に記載の多孔性金属錯体成形体の製造方法。
- 前記環状エーテルがテトラヒドロフラン、1,4−ジオキサン又はそれらの混合物である請求項5に記載の多孔性金属錯体の製造方法。
- 前記アルコールがメタノール、エタノール、プロパノール及びブタノールからなる群より選択される少なくとも一種であり、エーテルがテトラヒドロフラン、1,4−ジオキサン又はそれらの混合物であり、ケトンがアセトン、メチルエチルケトン又はそれらの混合物であり、エステルが酢酸エチル、酢酸−n−プロピル又はそれらの混合物であり、3級アミンがトリエチルアミンであり、共役複素環化合物がピリジンであり、ニトリルがアセトニトリルである請求項1に記載の多孔性金属錯体成形体の製造方法。
- 前記多孔性金属錯体を構成する有機配位子が、下記(1)〜(3):
(1)分子内に、カルボキシル基及び/又は水酸基を2つ以上有し、複素環を有さず、金属イオンに二座配位可能な有機化合物、
(2)分子内に、N、O又はSから選択される1個のヘテロ原子を有する単環式又は多環式の飽和又は不飽和の複素環と、カルボキシル基又は水酸基とを有する、金属イオンに二座配位可能な有機化合物、及び
(3)分子内に、1又は複数の環内にN、O及びSからなる群より選択されるヘテロ原子を2個以上有する、単環式又は多環式の飽和又は不飽和の複素環を1又は複数有する、金属イオンに二座配位可能な有機化合物
からなる群より選択される少なくとも1種の有機化合物である請求項1〜7のいずれか一項に記載の多孔性金属錯体成形体の製造方法。 - 前記多孔性金属錯体を構成する有機配位子が、炭素数4〜20のアルキレンジカルボン酸化合物、炭素数4〜20のアルケニレンジカルボン酸化合物、下記一般式(I)〜(III)で表されるジカルボン酸化合物:
- 前記多孔性金属錯体を構成する金属原子のイオンがベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、ルテニウム、コバルト、ロジウム、ニッケル、パラジウム、白金、銅、亜鉛、及びカドミウムからなる群より選択される少なくとも1種の金属の陽イオンである請求項1〜9のいずれか一項に記載の多孔性金属錯体成形体の製造方法。
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