JP6650054B2 - 第2級アミノ基の改善された酸化方法 - Google Patents

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Description

本発明は、ポリマー内の、例えば2,2,6,6−テトラメチルピペリジニル単位を含むポリマー内の第2級アミノ基の酸化により、対応するニトロキシルラジカル基を生成する方法に関する。該方法によって、特に高い酸化度が保証される。
背景技術
有機電池は、電荷を貯蔵するための電極活物質として有機電荷貯蔵材料を用いる電気化学的なセルである。この二次電池は、例えば充電の迅速性、長寿命性、軽量性、高可撓性および加工容易性といったその優れた特性を特徴とする。電荷を貯蔵するための電極活物質としては、従来技術において様々なポリマー構造が記載されており、例えば、活性単位として有機ニトロキシルラジカルを有するポリマー化合物が、(例えば、国際公開第2012/133202号(WO 2012/133202 A1)、国際公開第2012/133204号(WO 2012/133204 A1)、国際公開第2012/120929号(WO 2012/120929 A1)、国際公開第2012/153866号(WO 2012/153866 A1)、国際公開第2012/153865号(WO 2012/153865 A1)、特開2012−221574号公報(JP 2012−221574 A)、特開2012−221575号公報(JP 2012−221575 A)、特開2012−219109号公報(JP 2012−219109 A)、特開2012−079639号公報(JP 2012−079639 A)、国際公開第2012/029556号(WO 2012/029556 A1)、国際公開第2012/153865号(WO 2012/153865 A1)、特開2011−252106号公報(JP 2011−252106 A)、特開2011−074317号公報(JP 2011−074317 A)、特開2011−165433号公報(JP 2011−165433 A)、国際公開第2011034117号(WO 2011/034117 A1)、国際公開第2010/140512号(WO 2010/140512 A1)、国際公開第2010/104002号(WO 2010/104002 A1)、特開2010−238403号公報(JP 2010−238403 A)、特開2010−163551号公報(JP 2010−163551 A)、特開2010−114042号公報(JP 2010−114042 A)、国際公開第2010/002002号(WO 2010/002002 A1)、国際公開第2009/038125号(WO 2009/038125 A1)、特開2009−298873号公報(JP 2009−298873 A)、国際公開第2004/077593号(WO 2004/077593 A1)、国際公開第2009/145225号(WO 2009/145225 A1)、特開2009−238612号公報(JP 2009−238612 A)、特開2009−230951号公報(JP 2009−230951 A)、特開2009−205918号公報(JP 2009−205918 A)、特開2008−234909号公報(JP 2008−234909 A)、特開2008−218326号公報(JP 2008−218326 A)、国際公開第2008/099557号(WO 2008/099557 A1)、国際公開第2007/141913号(WO 2007/141913 A1)、米国特許出願公開第2002/0041995号明細書(US 2002/0041995 A1)、欧州特許出願公開第1128453号明細書(EP 1128453 A2)、A. Vlad, J. Rolland, G. Hauffman, B. Ernould, J. F. Gohy, ChemSusChem 2015, 8, 1692−1696に)記載されており、また活性単位として有機フェノキシルラジカルまたは有機ガルビノキシルラジカルを有するポリマー化合物が記載されている(例えば、米国特許出願公開第2002/0041995号明細書(US 2002/0041995 A1)および特開2002−117852号公報(JP 2002−117852 A))。
ここで特に注目すべきは、ポリ(2,2,6,6−テトラメチルピペリジニルオキシルメタクリレート)であり、その合成は、K. Nakahara, S. Iwasa, M. Satoh, Y. Morioka, J. Iriyama, M. Suguro, E. Hasegawa, Chem Phys Lett 2002, 359, 351 − 354、およびJ. Kim, G. Cheruvally, J. Choi, J. Ahn, S. Lee, S. Choi, C. Song, Solid State Ionics 2007, 178, 1546 − 1551に記載されている。さらなる合成方法は、以下の刊行物に記載されている:特開2006−022177号公報(JP 2006−022177 A)、国際公開第2015/032951号(WO 2015/032951 A1)、欧州特許出願公開第1752474号明細書(EP 1752474 A1)、欧州特許出願公開第1911775号明細書(EP 1911775 A1)、欧州特許出願公開第2042523号明細書(EP 2042523 A1)。さらに、Liang Wenzhongも、Polymer Degradation and Stability 1991, 31, 353 − 364において、ニトロキシド化によるこのポリマーの生成を記載しており、その際、溶媒として過剰のエタノールが使用される。
ここで特に欧州特許出願公開第1911775号明細書(EP 1911775 A1)に注目すべきである。該明細書には、2,2,6,6−テトラメチルピペリジニルメタクリレートを重合させ、次いで2,2,6,6−テトラメチルピペリジニル単位内の第2級アミノ基を酸化して、2,2,6,6−テトラメチルピペリジニルオキシルラジカル基を得る(以下、「ニトロキシル化」という)方法が記載されている。この先行技術文献で達成されたニトロキシル化度(あるいは酸化度)は95.5%と高い。それでも、なおもより良好な酸化度を達成することがさらに求められている。
さらに、欧州特許出願公開第1911775号明細書(EP 1911775 A1)の段落[0046]には確かに、該方法が0〜90℃の広い温度範囲で適用可能であることが記載されている。それでも、欧州特許出願公開第1911775号明細書(EP 1911775 A1)の段落[0053]、[0054]、[0055]に記載の例から、最良には80℃のような高温で重合が行われるべきであることが明らかである。
しかし、こうした高温での実施は経済的に不利である。特に工業的規模では、反応溶液を加熱するための追加のエネルギーを消費することなくこの反応を行えることが望ましい。さらに、冷却によって著しい発熱の発生をより良好に制御できることから、多くの場合、0℃未満に冷却して反応を行えることも望ましい。
したがって本発明の課題は、2,2,6,6−テトラメチルピペリジニルイル基または類似の基を含むポリマー内の第2級アミノ基からニトロキシルラジカル基を得るための酸化を可能な限り高度なものとする方法を提供することであった。該方法によって、特に室温およびより低温であっても、より良好な酸化度が得られることが望まれていた。
驚くべきことに、上記の課題を解決する方法が見出された。
発明の詳細な説明
1) したがって本発明は、一般化学構造(I)
Figure 0006650054
の繰返し単位をn個含むポリマーPの製造方法において、一般化学構造(II)
Figure 0006650054
の繰返し単位をn個含むポリマーPを、水およびエタノールを含む溶媒中で、特に40℃以下の温度Tで酸化させ、ここで、前記溶媒中にはエタノールが水に対して過少量で存在し、
、nは、互いに独立してそれぞれ、4〜3000000の範囲の整数、特に4〜1000000の範囲の整数、好ましくは4〜100000の範囲の整数、より好ましくは4〜10000の範囲の整数、なおより好ましくは4〜5000の範囲の整数であり、
前記ポリマーP内の前記化学構造(I)の繰返し単位は、同じであるかまたは少なくとも部分的に互いに異なり、
前記ポリマーP内の前記化学構造(I)の繰返し単位は、互いに連結されており、該連結は、ある繰返し単位の「#」によって示される結合が、隣接する繰返し単位の「##」によって示される結合と連結するように行われており、
前記ポリマーP内の前記化学構造(II)の繰返し単位は、同じであるかまたは少なくとも部分的に互いに異なり、
前記ポリマーP内の前記化学構造(II)の繰返し単位は、互いに連結されており、該連結は、ある繰返し単位の「#」によって示される結合が、隣接する繰返し単位の「##」によって示される結合と連結するように行われており、
前記化学構造(I)および(II)において、前記基R、R、R、R、Rは、水素、炭素原子を1〜4個有する分岐状または非分岐状のアルキル基からなる群から選択され、好ましくは、R、R、R、Rはメチルであり、かつRは水素またはメチルであり、
Xは、*−CH−C’H−CH−**、*−C’H−CH−**、*−C’=CH−**からなる群から選択され、
「*」はそれぞれ、RおよびRと連結している炭素原子への結合を表し、
「**」はそれぞれ、RおよびRと連結している炭素原子への結合を表し、
「C’」は、さらに基Yと連結している炭素原子を表し、
Yは、橋かけ基(III)および(IV)から選択され、
(III)は、構造&−(Yp1−[C=Xp2−(Yp3−B−(Yp6−[C=Xp5−(Yp4−&&を有し、
(IV)は、構造&−(Yp9−(C=Xp8−(Yp7−&&を有し、
前記橋かけ基(III)および(IV)において、
p1、p2、p3はそれぞれ、0または1であるが、ただしp1=p3=1とp2=0とは同時には成り立たず、
p4、p5、p6はそれぞれ、0または1であるが、ただしp4=p6=1とp5=0とは同時には成り立たず、
p7、p8、p9はそれぞれ、0または1であるが、ただしp7=p9=1とp8=0とは同時には成り立たず、p7=1でかつp8=0である場合にはp9=0であり、
、X、Xは、互いに独立して、O、Sからなる群から選択され、
、Y、Y、Y、Y、Yは、互いに独立して、O、S、NH、N−アルキルからなる群から選択され、
は、p1=1、p2=p3=0である場合には、N O・であってもよく、
は、p4=1、p5=p6=0である場合には、N O・であってもよく、
は、p9=1、p7=p8=0である場合には、N O・であってもよく、
Bは、置換されていてもよい2価の(複素)芳香族基であるか、または置換されていてもよい2価の脂肪族基であり、ここで、前記置換されていてもよい脂肪族基は、エーテル、チオエーテル、ニトロキシル化されていてもよいアミノエーテル、カルボニル基、カルボン酸エステル基、カルボン酸アミド基、スルホン酸エステル基、リン酸エステルから選択される少なくとも1つの基をさらに有することができ、
Yに関する「&&」は、YとXとを連結させる結合を表し、かつ
Yに関する「&」は、Yと、前記Rと連結している炭素原子とを連結させる結合を表す
ことを特徴とする方法に関する。
2) 本発明の特別な一実施形態において、本発明は、一般化学構造(I)
Figure 0006650054
の繰返し単位をn個含むポリマーPの製造方法において、一般化学構造(II)
Figure 0006650054
の繰返し単位をn個含むポリマーPを、水およびエタノールを含む溶媒中で、特に40℃以下の温度Tで酸化させ、ここで、前記溶媒中にはエタノールが水に対して過少量で存在し、
、nは、互いに独立してそれぞれ、4〜3000000の範囲の整数、特に4〜1000000の範囲の整数、好ましくは4〜100000の範囲の整数、より好ましくは4〜10000の範囲の整数、なおより好ましくは4〜5000の範囲の整数であり、
前記ポリマーP内の前記化学構造(I)の繰返し単位は、同じであるかまたは少なくとも部分的に互いに異なり、
前記ポリマーP内の前記化学構造(I)の繰返し単位は、互いに連結されており、該連結は、ある繰返し単位の「#」によって示される結合が、隣接する繰返し単位の「##」によって示される結合と連結するように行われており、
前記ポリマーP内の前記化学構造(II)の繰返し単位は、同じであるかまたは少なくとも部分的に互いに異なり、
前記ポリマーP内の前記化学構造(II)の繰返し単位は、互いに連結されており、該連結は、ある繰返し単位の「#」によって示される結合が、隣接する繰返し単位の「##」によって示される結合と連結するように行われており、
前記化学構造(I)および(II)において、前記基R、R、R、R、Rは、水素、炭素原子を1〜4個有する分岐状または非分岐状のアルキル基からなる群から選択され、好ましくは、R、R、R、Rはメチルであり、かつRは水素またはメチルであり、
Xは、*−CH−C’H−CH−**、*−C’H−CH−**、*−C’=CH−**からなる群から選択され、
「*」はそれぞれ、RおよびRと連結している炭素原子への結合を表し、
「**」はそれぞれ、RおよびRと連結している炭素原子への結合を表し、
「C’」は、さらに基Yと連結している炭素原子を表し、
Yは、橋かけ基(III)および(IV)から選択され、
(III)は、構造&−(Yp1−[C=Xp2−(Yp3−B−(Yp6−[C=Xp5−(Yp4−&&を有し、
(IV)は、構造&−(Yp9−(C=Xp8−(Yp7−&&を有し、
前記橋かけ基(III)および(IV)において、
p1、p2、p3はそれぞれ、0または1であるが、ただしp1=p3=1とp2=0とは同時には成り立たず、
p4、p5、p6はそれぞれ、0または1であるが、ただしp4=p6=1とp5=0とは同時には成り立たず、
p7、p8、p9はそれぞれ、0または1であるが、ただしp7=p9=1とp8=0とは同時には成り立たず、p7=1でかつp8=0である場合にはp9=0であり、
、X、X、Y、Y、Y、Y、Y、Yは、互いに独立して、O、Sからなる群から選択され、
Bは、置換されていてもよい2価の(複素)芳香族基であるか、または置換されていてもよい2価の脂肪族基であり、ここで、前記置換されていてもよい脂肪族基は、エーテル、チオエーテル、カルボニル基、カルボン酸エステル基、スルホン酸エステル基、リン酸エステルから選択される少なくとも1つの基をさらに有することができ、
Yに関する「&&」は、YとXとを連結させる結合を表し、かつ
Yに関する「&」は、Yと、前記Rと連結している炭素原子とを連結させる結合を表す
ことを特徴とする方法に関する。
3) 本発明の好ましい一実施形態において、本発明は、一般化学構造(I)
Figure 0006650054
の繰返し単位をn個含むポリマーPの製造方法において、一般化学構造(II)
Figure 0006650054
の繰返し単位をn個含むポリマーPを、水およびエタノールを含む溶媒中で、特に40℃以下の温度Tで酸化させ、ここで、前記溶媒中にはエタノールが水に対して過少量で存在し、
、nは、互いに独立してそれぞれ、4〜3000000の範囲の整数、特に4〜1000000の範囲の整数、好ましくは4〜100000の範囲の整数、より好ましくは4〜10000の範囲の整数、なおより好ましくは4〜5000の範囲の整数であり、
前記ポリマーP内の前記化学構造(I)の繰返し単位は、同じであるかまたは少なくとも部分的に互いに異なり、
前記ポリマーP内の前記化学構造(I)の繰返し単位は、互いに連結されており、該連結は、ある繰返し単位の「#」によって示される結合が、隣接する繰返し単位の「##」によって示される結合と連結するように行われており、
前記ポリマーP内の前記化学構造(II)の繰返し単位は、同じであるかまたは少なくとも部分的に互いに異なり、
前記ポリマーP内の前記化学構造(II)の繰返し単位は、互いに連結されており、該連結は、ある繰返し単位の「#」によって示される結合が、隣接する繰返し単位の「##」によって示される結合と連結するように行われており、
前記化学構造(I)および(II)において、R=R=R=R=メチルであり、かつRは水素またはメチルであり、
Xは、*−CH−C’H−CH−**、*−C’H−CH−**、*−C’=CH−**からなる群から選択され、
「*」はそれぞれ、RおよびRと連結している炭素原子への結合を表し、
「**」はそれぞれ、RおよびRと連結している炭素原子への結合を表し、
「C’」は、さらに基Yと連結している炭素原子を表し、
Yは、橋かけ基(III)および(IV)から選択され、
(III)は、構造&−(Yp1−[C=Xp2−(Yp3−B−(Yp6−[C=Xp5−(Yp4−&&を有し、
(IV)は、構造&−(Yp9−(C=Xp8−(Yp7−&&を有し、
前記橋かけ基(III)および(IV)において、
p1、p2、p3はそれぞれ、0または1であるが、ただしp1=p3=1とp2=0とは同時には成り立たず、
p4、p5、p6はそれぞれ、0または1であるが、ただしp4=p6=1とp5=0とは同時には成り立たず、
p7、p8、p9はそれぞれ、0または1であるが、ただしp7=p9=1とp8=0とは同時には成り立たず、p7=1でかつp8=0である場合にはp9=0であり、
、X、X、Y、Y、Y、Y、Y、Yは、互いに独立して、O、Sからなる群から選択され、
Bは、2価の(複素)芳香族基、好ましくはフェニレンであるか、または−F、−Cl、−Br、−Iから選択される少なくとも1つの基で置換されていてもよい2価の脂肪族基であり、ここで、前記置換されていてもよい脂肪族基は、エーテル、チオエーテルから選択される少なくとも1つの基をさらに有することができ、
Yに関する「&&」は、YとXとを連結させる結合を表し、かつ
Yに関する「&」は、Yと、前記Rと連結している炭素原子とを連結させる結合を表す
ことを特徴とする方法に関する。
4) 本発明のより好ましい一実施形態において、本発明は、一般化学構造(I)
Figure 0006650054
の繰返し単位をn個含むポリマーPの製造方法において、一般化学構造(II)
Figure 0006650054
の繰返し単位をn個含むポリマーPを、水およびエタノールを含む溶媒中で、特に40℃以下の温度Tで酸化させ、ここで、前記溶媒中にはエタノールが水に対して過少量で存在し、
、nは、互いに独立してそれぞれ、4〜3000000の範囲の整数、特に4〜1000000の範囲の整数、好ましくは4〜100000の範囲の整数、より好ましくは4〜10000の範囲の整数、なおより好ましくは4〜5000の範囲の整数であり、
前記ポリマーP内の前記化学構造(I)の繰返し単位は、同じであるかまたは少なくとも部分的に互いに異なり、
前記ポリマーP内の前記化学構造(I)の繰返し単位は、互いに連結されており、該連結は、ある繰返し単位の「#」によって示される結合が、隣接する繰返し単位の「##」によって示される結合と連結するように行われており、
前記ポリマーP内の前記化学構造(II)の繰返し単位は、同じであるかまたは少なくとも部分的に互いに異なり、
前記ポリマーP内の前記化学構造(II)の繰返し単位は、互いに連結されており、該連結は、ある繰返し単位の「#」によって示される結合が、隣接する繰返し単位の「##」によって示される結合と連結するように行われており、
前記化学構造(I)および(II)において、R=R=R=R=メチルであり、かつRは水素またはメチルであり、
Xは、*−CH−C’H−CH−**、*−C’H−CH−**、*−C’=CH−**からなる群から選択され、
「*」はそれぞれ、RおよびRと連結している炭素原子への結合を表し、
「**」はそれぞれ、RおよびRと連結している炭素原子への結合を表し、
「C’」は、さらに基Yと連結している炭素原子を表し、
Yは、橋かけ基(III)および(IV)から選択され、
(III)は、構造&−(Yp1−[C=Xp2−(Yp3−B−(Yp6−[C=Xp5−(Yp4−&&を有し、
(IV)は、構造&−(Yp9−(C=Xp8−(Yp7−&&を有し、
前記橋かけ基(III)および(IV)において、
p1、p2、p3はそれぞれ、0または1であるが、ただしp1=p3=1とp2=0とは同時には成り立たず、
p4、p5、p6はそれぞれ、0または1であるが、ただしp4=p6=1とp5=0とは同時には成り立たず、
p7、p8、p9はそれぞれ、0または1であるが、ただしp7=p9=1とp8=0とは同時には成り立たず、p7=1でかつp8=0である場合にはp9=0であり、
=X=X=Y=Y=Y=Y=Y=Y=Oであり、
Bは、フェニレンであるか、または−F、−Cl、−Br、−Iから選択される少なくとも1つの基で置換されていてもよいが好ましくは非置換のアルキレン基であって、好ましくは炭素原子を1〜10個含む基であり、
Yに関する「&&」は、YとXとを連結させる結合を表し、かつ
Yに関する「&」は、Yと、前記Rと連結している炭素原子とを連結させる結合を表す
ことを特徴とする方法に関する。
項目1)〜4)に記載の実施形態において、Xは、*−CH−C’H−CH−**、*−C’H−CH−**、*−C’=CH−**からなる群から選択される。
Xが*−CH−C’H−CH−**である場合、一般化学構造(I)は、以下の構造(I)’を有し、一般化学構造(II)は、以下の構造(II)’を有し:
Figure 0006650054
ここで、R、R、R、R、R、Yは、それぞれの実施形態に記載した意味を有する。
Xが*−C’H−CH−**である場合、一般化学構造(I)は、以下の構造(I)’’を有し、一般化学構造(II)は、以下の構造(II)’’を有し:
Figure 0006650054
ここで、R、R、R、R、R、Yは、それぞれの実施形態に記載した意味を有する。
Xが*−C’=CH−**である場合、一般化学構造(I)は、以下の構造(I)’’’を有し、一般化学構造(II)は、以下の構造(II)’’’を有し:
Figure 0006650054
ここで、R、R、R、R、R、Yは、それぞれの実施形態に記載した意味を有する。
ここで、本発明によれば特に、項目1)〜4)に挙げた実施形態では、Xが*−CH−C’H−CH−**である場合に特に好ましい。
最も好ましくは、本発明による方法において、一般化学構造(I)は、以下の構造(I)’’’’を有し、一般化学構造(II)は、以下の構造(II)’’’’を有し:
Figure 0006650054
ここで、Rは、メチルまたは水素であり、好ましくは、Rは、メチルである。
当然のことながら、p7=p8=p9=0である場合には、橋かけ基(IV)は直接結合にもなり得る
本発明による方法は特に、40℃以下の温度Tで、好ましくは−25℃以上40℃以下の温度Tで、より好ましくは−20℃以上40℃以下の温度Tで、なおより好ましくは−12℃以上30℃以下の温度Tで、なおさらにより好ましくは0℃以上25℃以下の温度Tで行われることを特徴とする。
ここで、「ここで、前記溶媒中にはエタノールが水に対して過少量で存在し」とは特に、溶媒中での水対エタノールの重量比が、51:49〜99:1の範囲にあり、好ましくは1.1:1〜98:2の範囲にあり、より好ましくは55:45〜95:5の範囲にあり、なおより好ましくは1.3:1〜9:1の範囲にあり、なおさらにより好ましくは4:1〜8.5:1の範囲にあり、最も好ましくは7.1:1〜8.2:1の範囲にあることを意味する。
さらに好ましくは、溶媒中のエタノールの重量と水の重量との合計の割合は、該溶媒の全重量を基準として、少なくとも50重量%であり、より好ましくは少なくとも60重量%であり、なおより好ましくは少なくとも70重量%であり、なおさらにより好ましくは少なくとも80重量%であり、なおさらにより好ましくは少なくとも90重量%であり、なお非常にさらにより好ましくは少なくとも95重量%であり、最も好ましくは少なくとも99重量%である。
溶媒は、水およびエタノールの他にさらなる成分を含むことができ、特に、ハロゲン化炭化水素、脂肪族ニトリル、芳香族ニトリル、エタノール以外のアルコール、芳香族炭化水素からなる群から選択される成分を含むことができる。
しかし、エタノール以外のすべてのC〜Cアルコールの溶媒中での重量割合、より好ましくは、エタノール以外のすべてのC〜C10アルコールの溶媒中での重量割合は、該溶媒に含まれるエタノールの重量を基準として50重量%未満であることが、好ましい。
エタノール以外のすべてのC〜Cアルコールの溶媒中での重量割合、より好ましくは、エタノール以外のすべてのC〜C10アルコールの溶媒中での重量割合は、該溶媒に含まれるエタノールの重量を基準として25重量%未満であることが、より好ましい。
エタノール以外のすべてのC〜Cアルコールの溶媒中での重量割合、より好ましくは、エタノール以外のすべてのC〜C10アルコールの溶媒中での重量割合は、該溶媒に含まれるエタノールの重量を基準として10重量%未満であることが、なおより好ましい。
エタノール以外のすべてのC〜Cアルコールの溶媒中での重量割合、より好ましくは、エタノール以外のすべてのC〜C10アルコールの溶媒中での重量割合は、該溶媒に含まれるエタノールの重量を基準として5重量%未満であることが、なおさらにより好ましい。
エタノール以外のすべてのC〜Cアルコールの溶媒中での重量割合、より好ましくは、エタノール以外のすべてのC〜C10アルコールの溶媒中での重量割合は、該溶媒に含まれるエタノールの重量を基準として1重量%未満であることが、なお非常にさらにより好ましい。
溶媒は特に、使用される溶媒の重量が、使用されるポリマーPの重量の1〜5000倍、好ましくは2.5〜3000倍、より好ましくは5〜100倍、なおより好ましくは10〜50倍となるような量で使用される。
酸化剤としては、同様に、当業者によく知られている酸化剤が使用される。酸化剤は特に、過酸化物、金属化合物、空気からなる群から選択され、好ましくは過酸化物である。
過酸化物は、好ましくは、過酸化水素、過ギ酸、過酢酸、過安息香酸、過フタル酸、m−クロロ過安息香酸からなる群から選択される。最も好ましい過酸化物は、過酸化水素である。
金属化合物は、好ましくは、酸化銀、四酢酸鉛、ヘキサシアノ鉄(III)カリウム、過マンガン酸カリウムからなる群から選択される。
本発明による方法において使用される出発物質Pは、市販の化学物質、例えば2,2,6,6−テトラメチル−4−ピペリジニルメタクリレートから従来技術の方法によって得ることができる。そのような方法は、例えば、欧州特許出願公開第1752474号明細書(EP 1752474 A1)または欧州特許出願第16172593.2号明細書に記載されている。したがって、Pの合成において、モノマー以外にさらに架橋剤を使用することも可能である。架橋剤としては、重合性基を2つ以上有する化合物が適しており、(メタ)アクリル酸をベースとする多官能性化合物、アリルエーテルをベースとする多官能性化合物、ビニル系化合物をベースとする多官能性化合物からなる群から選択される架橋剤が好ましい。ここでは、(メタ)アクリル酸をベースとする多官能性化合物が特に好ましい。(メタ)アクリル酸をベースとする多官能性化合物は特に、エチレングリコールジ(メタ)アクリレート、ジエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、トリエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、ポリエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、1,3−プロパンジオールジ(メタ)アクリレート、2,3−ブタンジオールジ(メタ)アクリレート、1,4−ブタンジオールジ(メタ)アクリレート、1,5−ペンタンジオールジ(メタ)アクリレート、1,6−ヘキサンジオールジ(メタ)アクリレート、1,7−ヘプタンジオールジ(メタ)アクリレート、1,8−オクタンジオールジ(メタ)アクリレート、1,9−ノナンジオールジ(メタ)アクリレート、1,10−デカンジオールジ(メタ)アクリレート、トリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート、グリセロールジ(メタ)アクリレート、2−ヒドロキシ−3−(メタ)アクリルオキシプロピル(メタ)アクリレートから選択される。
酸化剤は特に、酸化剤が、使用されるポリマーP中の酸化されるべきNH基1モルあたり、1〜40モル、より好ましくは1.5〜15モル、なおより好ましくは5〜14.4モル、なおさらにより好ましくは13〜14モル、最も好ましくは13モル使用されるような量で使用される。
酸化においてはさらに、触媒を使用することも可能である。ニトロキシル化に使用される触媒は、当業者によく知られている。
特に、ニトロキシル化には、クロム系金属化合物、特にモリブデンおよびタングステンの化合物から選択される触媒を使用することができる。好ましくは、ニトロキシル化に使用される触媒は、タングステンの化合物である。
タングステンの化合物は特に、タングステン酸、タングストリン酸、パラタングステン酸、タングステン酸塩、タングストリン酸塩、パラタングステン酸塩、酸化タングステン、タングステンカルボニルからなる群から選択される。好ましくは、タングステンの化合物は、本発明によれば、タングステン酸のアルカリ金属塩およびアンモニウム塩から選択され、より好ましくは、タングステン酸アンモニウム、タングステン酸ナトリウム、タングステン酸カリウムからなる群から選択され、なおより好ましくは、タングステン酸ナトリウムである。
モリブデンの化合物は特に、モリブデン酸、モリブドリン酸、パラモリブデン酸、モリブデン酸塩、モリブドリン酸塩、パラモリブデン酸塩、モリブデン酸化物、モリブデンカルボニルからなる群から選択される。好ましくは、モリブデンの化合物は、本発明によれば、モリブデン酸のアルカリ金属塩およびアンモニウム塩からなる群から選択され、より好ましくは、モリブデン酸アンモニウム、モリブデン酸ナトリウム、モリブデン酸カリウム、三酸化モリブデン、ヘキサカルボニルモリブデンからなる群から選択される。
触媒は特に、該触媒が、本発明による方法のステップ(a)で使用される構造(I)の化合物1モルあたり、0.1〜10モル%、より好ましくは1〜5モル%、なおより好ましくは2〜3.5モル%、なおさらにより好ましくは2.5〜3.0モル%使用されるような量で使用される。
反応時間も同様に特に限定されないが、反応時間は、特に1〜100時間であり、好ましくは3〜96時間であり、なおより好ましくは10〜96時間であり、なおさらにより好ましくは25〜96時間であり、なお非常にさらにより好ましくは72〜96時間であり、最も好ましくは90〜96時間である。
その後、得られたポリマーPの単離も同様に、ろ過やその後の乾燥といった当業者に知られている方法によって行われる。
ポリマーPに関して化学構造(I)において「#」で規定される結合に存在する、ポリマーPの第1の繰返し単位の末端基や、本発明によるポリマーPに関して化学構造(I)において「##」で規定される結合に存在する、本発明によるポリマーPのn個目の繰返し単位の末端基は、特に制限されず、これらの末端基は、ポリマーPの製造方法で用いられる重合法から得られる。よってこれは、開始剤の分解フラグメントや繰返し単位の分解フラグメントであり得る。これらの末端基は好ましくは、水素、ハロゲン、ヒドロキシ、非置換のまたは−CN、−OH、ハロゲンで置換された脂肪族基(特に、非置換のまたは相応して置換されたアルキル基であり得る)、(複素)芳香族基から選択され、この(複素)芳香族基は好ましくは、フェニル基、ベンジル基またはα−ヒドロキシベンジルである。
ポリマーPに関して化学構造(II)において「#」で規定される結合に存在する、ポリマーPの第1の繰返し単位の末端基や、本発明によるポリマーPに関して化学構造(II)において「##」で規定される結合に存在する、本発明によるポリマーPのn個目の繰返し単位の末端基は、特に制限されず、これらの末端基は、ポリマーPの製造方法で用いられる重合法から得られる。よってこれは、開始剤の分解フラグメントや繰返し単位の分解フラグメントであり得る。これらの末端基は好ましくは、水素、ハロゲン、ヒドロキシ、非置換のまたは−CN、−OH、ハロゲンで置換された脂肪族基(特に、非置換のまたは相応して置換されたアルキル基であり得る)、(複素)芳香族基から選択され、この(複素)芳香族基は好ましくは、フェニル基、ベンジル基またはα−ヒドロキシベンジルである。
定義
本発明において、いくつかの概念が以下の通り定義される:
「ニトロキシル」とは、N O・ラジカル基である。
ニトロキシル化とは、NH基からニトロキシルへの酸化をいう。
「少なくとも部分的に互いに異なる」とは、ポリマーPに関する本発明の趣意においては、ポリマーPにおいて化学構造(I)の少なくとも2つの繰返し単位が、互いに異なることを意味する。特にこのことは、n個の互いに連結した化学構造(I)の繰返し単位のうち少なくとも2つについて、基R、R、R、R、R、X、Yのうちの少なくとも1つが異なることを意味する。
「少なくとも部分的に互いに異なる」とは、ポリマーPに関する本発明の趣意においては、ポリマーPにおいて化学構造(II)の少なくとも2つの繰返し単位が、互いに異なることを意味する。特にこのことは、n個の互いに連結した化学構造(II)の繰返し単位のうち少なくとも2つについて、基R、R、R、R、R、X、Yのうちの少なくとも1つが異なることを意味する。
ポリマーPの「酸化度」(および場合によりポリマーPの「酸化度」)とは、すべてのニトロキシル基および非ニトロキシル化第2級NH基の合計を基準とするニトロキシル基の割合を意味する。本発明によれば、これはESRによって求められる。その際、それぞれのポリマーの使用量を基準とする、測定されたESRシグナルのシグナル強度によって、それぞれ試験した分子内にいくつのN O・官能基が存在するかを調べる。標準物質として、本発明によれば、TEMPO(2,2,6,6−テトラメチルピペリジニル−N−オキシル)が使用される。ポリマーP内のN−O・官能基の数を求め、これを、使用したポリマーP内のN O・官能基と比較することで、酸化度を、そしてひいては本発明による方法の効率を求めることができる。
「ハロゲン化炭化水素」は、好ましくは、ジクロロメタン、クロロホルム、ジクロロエタンからなる群から選択される。脂肪族ニトリルは、好ましくは、アセトニトリル、プロプリオニトリル、ブチロニトリルからなる群から選択される。芳香族ニトリルは、好ましくは、ベンゾニトリル、フェニルアセトニトリルからなる群から選択される。エタノール以外のアルコールは、好ましくは、メタノール、n−プロパノール、イソプロパノール、n−ブタノール、sec−ブタノール、イソブタノール、tert−ブタノールからなる群から選択され、好ましくはメタノールである。芳香族炭化水素は、好ましくは、ベンゼン、トルエンからなる群から選択される。
「C〜Cアルコール」は、本発明によれば特に、メタノール、エタノール、n−プロパノール、イソプロパノール、n−ブタノール、sec−ブタノール、イソブタノール、tert−ブタノールである。
「C〜C10アルコール」は、本発明によれば特に、メタノール、エタノール、n−プロパノール、イソプロパノール、n−ブタノール、sec−ブタノール、イソブタノール、tert−ブタノールおよび炭素原子を5〜10個有するすべてのアルコールである。
「置換された脂肪族基」とは、本発明の趣意において特に、該当する脂肪族基において、該基の炭素原子に結合した水素原子が、(複素)芳香族基、−NO、−CN、−F、−Cl、−Br、−I、−C(=O)NRII、−NRIIIIV、−C(=O)ORから選択される基で置換されており、好ましくは−NO、−CN、−F、−Cl、−Br、−Iから選択される基で置換されており、なおより好ましくは−F、−Cl、−Br、−Iから選択される基で置換されており、最も好ましくは−F、−Cl、−Brから選択される基で置換されていることを意味し、ここで、R、RII、RIII、RIV、Rは、H、アルキル、ハロアルキル、芳香族基、複素芳香族基から選択され、RIIIは、RIVがアルキルまたはハロアルキルである場合には、−O・にもなり得る。
置換されていてもよい脂肪族基は、好ましくは非置換である。
置換されていてもよいアルキレン基は、好ましくは非置換である。
炭素原子を1〜10個有するアルキレン基は、特に、炭素原子を1〜6個、好ましくは炭素原子を1〜4個、なおより好ましくは炭素原子を1〜3個有し、最も好ましくは、メチレン、エチレンまたはn−プロピレンである。
炭素原子を1〜10個有するアルキル基は、特に、炭素原子を1〜6個、好ましくは炭素原子を1〜4個、なおより好ましくは炭素原子を1〜3個有し、最も好ましくは、メチル、エチルまたはn−プロピルである。
(複素)芳香族基とは、本発明の趣意において、複素芳香族または芳香族の基である。(複素)芳香族基は、1価であってよい。すなわち該基は、その炭素原子のうちの1つのみを介して(芳香族基の場合)、またはその炭素原子もしくはヘテロ原子のうちの1つのみを介して(複素芳香族基の場合)、残りの分子と結合していてよい。
あるいは(複素)芳香族基は、2価であってよい。すなわち該基は、その炭素原子のうちの2つを介して、残りの分子と結合していてよく(芳香族基の場合)、またはその炭素原子のうちの2つ、そのヘテロ原子のうちの2つ、もしくはその炭素原子のうちの1つとそのヘテロ原子のうちの1つを介して(複素芳香族基の場合)、残りの分子と結合していてよい。
本発明において明示的に2価と呼ばない場合、「(複素)芳香族基」という呼称は、本発明の趣意において、1価の(複素)芳香族基であると理解されるべきである。
芳香族基は、炭素原子および少なくとも1つの芳香環のみを有する。芳香族基は特に、アリール基、アラルキル基、アルカリール基から選択される。アリール基は芳香環のみを有し、芳香環の炭素原子を介して分子と連結されている。アリール基は好ましくは、フェニルである。
アルカリール基は、少なくとも1つの芳香環を有し、これを介してアルカリール基は残りの分子と連結されており、それに加えて、芳香環にアルキル基も有する。アルカリール基は好ましくは、トリルである。
アラルキル基は形式上、アルキル基の水素基を、アリール基またはアルカリール基で置換することによって生じる。アラルキル基は好ましくは、ベンジル、フェニルエチル、α−メチルベンジルである。
複素芳香族基は特に、ヘテロアリール基、ヘテロアラルキル基、アルキルヘテロアリール基から選択される。これは、芳香環内に、またはヘテロアラルキル基もしくはアルキルヘテロアリール基の場合には芳香環内ではなくもしくは芳香環内に加えてさらに芳香環外に、さらなる少なくとも1つのヘテロ原子、特に窒素、酸素、硫黄からなる群から選択されるさらなる少なくとも1つのヘテロ原子を有する芳香族基である。
好ましい(複素)芳香族基は、前記で規定した化学構造(III)の環、アゾール、イミダゾール、ピロール、ピラゾール、トリアゾール、テトラゾール、チオフェン、フラン、チアゾール、チアジアゾール、オキサゾール、オキサジアゾール、ピリジン、ピリミジン、トリアジン、テトラジン、チアジン、ベンゾフラン、プリン、インドール、9−アントリル、9−フェナントリルからなる群から選択される。
2価の(複素)芳香族基とは、本発明の趣意において、2価の芳香族基、または2価の複素芳香族基であるが、2価の芳香族基が好ましい。
2価の芳香族基とは、本発明によれば、炭素原子を少なくとも6個、好ましくは6〜30個有する2価の炭化水素基であり、そのうち少なくとも6個の炭素原子は、芳香環に存在し、残りの炭素原子が存在する場合には、残りの炭素原子は飽和である。2価の芳香族基は、芳香族系の炭素原子を介して、または存在する場合には飽和炭素原子を介して、残りの分子と連結されていてよい。
2価の芳香族基は好ましくは、化学構造(d):
Figure 0006650054
であり、ここで、y’は、0を上回る整数であり、好ましくは0〜24の整数であり、y’’は、0を上回る整数であり、好ましくは0〜24の整数であり、好ましくは、これと同時にy’+y’’≦24が成り立つ。
2価の複素芳香族基とは、さらに少なくとも1つのヘテロ原子、特に窒素、酸素、硫黄からなる群から選択される少なくとも1つのヘテロ原子を、芳香環内または芳香環外に、好ましくは芳香環内に有する2価の芳香族基であるが、しかし特に、炭素原子によって残りの分子と連結されている。
「置換されていてもよい(複素)芳香族基」とは、特に非置換の(複素)芳香族基を意味し、好ましくは非置換の芳香族基を意味する。
「置換されたまたは非置換の(複素)芳香族基」とは、特に非置換の(複素)芳香族基を意味し、好ましくは非置換の芳香族基を意味する。「置換された(複素)芳香族基」とは、本発明の趣意において特に、該当する(複素)芳香族基において、該基の炭素原子に結合した水素原子が、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、ハロアルキル基、−NO、−CN、−F、−Cl、−Br、−I、−C(=O)NRII、−NRIIIから選択される基で置換されており、好ましくは−NO、−CN、−F、−Cl、炭素原子を1〜10個有するアルキル基、炭素原子を2〜10個有するアルケニル基で置換されていることを意味し、ここで、R、RII、RIII、Rは、H、炭素原子を1〜10個有するアルキル基、炭素原子を2〜10個有するアルケニル基、ハロアルキル基であって好ましくは炭素原子を1〜10個有する基、芳香族基、複素芳香族基から選択され、RIIIは、RIVがアルキルまたはハロアルキルである場合には、−O・にもなり得る。
「ここで、前記置換されていてもよい脂肪族基は、エーテル、チオエーテル、ニトロキシル化されていてもよいアミノエーテル、カルボニル基、カルボン酸エステル基、カルボン酸アミド基、スルホン酸エステル基、リン酸エステルから選択される少なくとも1つの基をさらに有することができる」とは、以下のことを意味する:
エーテルの場合、置換されていてもよい脂肪族基において、少なくとも該脂肪族基の2つのsp混成炭素原子の間に、好ましくは該脂肪族基の2つの−CH−基の間に、なおより好ましくは該脂肪族基の2つの−CHCH−基の間に、−O−基が存在する。
チオエーテルの場合、置換されていてもよい脂肪族基において、少なくとも該脂肪族基の2つのsp混成炭素原子の間に、好ましくは該脂肪族基の2つの−CH−基の間に、なおより好ましくは該脂肪族基の2つの−CHCH−基の間に、−S−基が存在する。
ニトロキシル化されていてもよいアミノエーテルの場合、置換されていてもよい脂肪族基において、少なくとも該脂肪族基の2つのsp混成炭素原子の間に、好ましくは該脂肪族基の2つの−CH−基の間に、なおより好ましくは該脂肪族基の2つの−CHCH−基の間に、−NR’−基が存在し、ここで、R’は、H、−O・または炭素原子を1〜10個有するアルキルであり、好ましくはR’は、Hまたは炭素原子を1〜10個有するアルキルである。
カルボニル基の場合、置換されていてもよい脂肪族基において、少なくとも該脂肪族基の2つのsp混成炭素原子の間に、好ましくは該脂肪族基の2つの−CH−基の間に、なおより好ましくは該脂肪族基の2つの−CHCH−基の間に、−C(=O)−基が存在する。
カルボン酸エステル基の場合、置換されていてもよい脂肪族基において、少なくとも該脂肪族基の2つのsp混成炭素原子の間に、好ましくは該脂肪族基の2つの−CH−基の間に、なおより好ましくは該脂肪族基の2つの−CHCH−基の間に、−C(=O)−O−基が存在する。
カルボン酸アミド基の場合、置換されていてもよい脂肪族基において、少なくとも該脂肪族基の2つのsp混成炭素原子の間に、好ましくは該脂肪族基の2つの−CH−基の間に、なおより好ましくは該脂肪族基の2つの−CHCH−基の間に、−C(=O)−NU−基が存在し、ここで、Uは、Hまたは炭素原子を1〜10個有するアルキルである。
スルホン酸エステル基の場合、置換されていてもよい脂肪族基において、少なくとも該脂肪族基の2つのsp混成炭素原子の間に、好ましくは該脂肪族基の2つの−CH−基の間に、なおより好ましくは該脂肪族基の2つの−CHCH−基の間に、−S(O)O−基が存在する。
リン酸エステル基の場合、置換されていてもよい脂肪族基において、少なくとも該脂肪族基の2つのsp混成炭素原子の間に、好ましくは該脂肪族基の2つの−CH−基の間に、なおより好ましくは該脂肪族基の2つの−CHCH−基の間に、−OP(=O)(O(Wd+1/z)−O−、−OP(=O)(OR’’)−O−から選択される基が存在し、ここで、R’’は、Hまたは炭素原子を1〜10個有するアルキルである。
ここでWd+は、アルカリ金属カチオン、アルカリ土類金属カチオン、遷移金属カチオン、テトラアルキルアンモニウムカチオン、イミダゾリウムカチオン、モノアルキルイミダゾリウムカチオン、ジアルキルイミダゾリウムカチオンからなる群から選択され、ここで、アルカリ金属カチオンは好ましくは、Li、Na、Kからなる群から選択され、アルカリ土類金属カチオンは好ましくは、Mg2+、Ca2+からなる群から選択され、遷移金属カチオンは好ましくは、鉄カチオン、亜鉛カチオン、水銀カチオン、ニッケルカチオン、カドミウムカチオンからなる群から選択され、テトラアルキルアンモニウムカチオン、モノアルキルイミダゾリウムカチオン、ジアルキルイミダゾリウムカチオンのアルキル基は、互いに独立してそれぞれ好ましくは、炭素原子を1〜30個有する。さらにdは、Wd+の正電荷数を表す。
好ましくはWd+は、Li、Na、K、Mg2+、Ca2+、Zn2+、Fe2+、Fe3+、Cd2+、Hg、Hg2+、Ni2+、Ni3+、Ni4+からなる群から選択され、ここで、
dは、Li、Na、K、Hgの場合にはそれぞれ1であり、
dは、Mg2+、Ca2+、Zn2+、Cd2+、Hg2+、Ni2+、Fe2+の場合にはそれぞれ2であり、
dは、Fe3+、Ni3+の場合には3であり、
dは、Ni4+の場合には4である。
本発明による方法により製造されたポリマーP の適用分野
ポリマーPは特に、電荷貯蔵体のレドックス活性電極材料としての使用に適しており、好ましくは電気エネルギーの貯蔵に適しており、なおより好ましくは正極素子として適している。
ここで、なおより好ましくは、レドックス活性電極材料は、電荷貯蔵体用の、特に二次電池用の電極素子の少なくとも部分的な表面コーティングとして形成されている。ここで、電極素子は、少なくとも1つの表面層と基材とを有する。
電気エネルギーを貯蔵するためのレドックス活性材料とは、電荷を例えば電子の収容または放出によって貯蔵および再度放出可能な材料である。この材料を例えば、電荷貯蔵体における活性電極材料として使用することができる。電気エネルギーを貯蔵するためのこのような電荷貯蔵体は、特に二次電池(または「蓄電池」とも呼ばれる)、レドックスフロー電池、スーパーキャパシタからなる群から選択され、好ましくは二次電池である。
電荷貯蔵体は好ましくは、二次電池である。二次電池は、セパレータによって互いに分離された負極と正極、また電極およびセパレータを取り囲む電解質を含む。
セパレータは、イオン透過性の多孔質層であり、これによって電荷平衡が可能となる。セパレータの役割は、正極と負極とを分離すること、および電荷平衡をイオンの置換によって可能にすることにある。二次電池のセパレータとしては、特に多孔質材料、好ましくはポリマー化合物、例えばポリオレフィン、ポリアミドまたはポリエステルからなる膜が使用される。さらに、多孔質セラミック材料から構成されるセパレータを使用することができる。
電解質の主な役割は、電荷平衡に必要なイオン伝導性を保証することである。二次電池の電解質は、液体であってもよいし、イオン伝導性の高いオリゴマーまたはポリマーの化合物(「ゲル電解質」または「固体電解質」)であってもよい。しかし、オリゴマーまたはポリマーの化合物が好ましい。電解質が液状の場合、電解質は特に、1種以上の溶媒と、1種以上の導電性塩とから構成される。
電解質の溶媒は、好ましくは互いに独立して、高沸点でかつイオン伝導性が高いが低粘度である溶媒を1種または複数種含み、これは例えばアセトニトリル、ジメチルスルホキシド、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、γ−ブチロラクトン、テトラヒドロフラン、ジオキソラン、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、ジグリム、トリグリム、テトラグリム、酢酸エチル、1,3−ジオキソランまたは水である。
電解質の導電性塩は、式Me+のカチオンと式Anf−のアニオンからなる式(Me+(Anf−のものであり、ここで、eおよびfは、MおよびAnの電荷に応じた整数であり、aおよびbは、導電性塩の分子組成を表す整数である。
上記導電性塩のカチオンとしては、正に帯電したイオン、好ましくは第1および第2主族の金属のイオン、例えばリチウム、ナトリウム、カリウムまたはマグネシウムのイオン、また副族のその他の金属のイオン、例えば亜鉛イオン、ならびに有機カチオン、例えば第四級アンモニウム化合物、例えばテトラアルキルアンモニウム化合物が使用される。好ましいカチオンは、リチウムである。
上記導電性塩のアニオンとしては好ましくは、無機アニオン、例えばヘキサフルオロホスホン酸イオン、テトラフルオロホウ酸イオン、トリフラート、ヘキサフルオロヒ酸イオン、ヘキサフルオロアンチモン酸イオン、テトラフルオロアルミン酸イオン、テトラフルオロインダート、過塩素酸イオン、ビス(オキソラト)ホウ酸イオン、テトラクロロアルミン酸イオン、テトラクロロ没食子酸イオン、また有機アニオン、例えばN(CFSO 、CFSO 、アルコラート、例えばtert−ブタノラートまたはイソプロピルアルコラート、またハロゲン化物イオン、例えばフッ化物イオン、塩化物イオン、臭化物イオン、またヨウ化物イオンが使用される。好ましいアニオンは、過塩素酸イオン、ClO である。したがって、好ましい導電性塩は、LiClOである。
イオン液体を使用する場合、これは電解質の溶媒として、導電性塩として、また錯体電解質として使用することができる。
ここで、レドックス活性電極材料が電荷貯蔵体用の、特に二次電池用の電極素子の少なくとも部分的な表面コーティングとして形成されている実施形態において、電極素子は、基材表面上に少なくとも部分的に層を有する。この層は、特に電荷を貯蔵するためのレドックス活性材料としての本発明によるポリマーと、特に少なくとも1種の導電性添加剤と、特に少なくとも1種の結合添加剤とを含有する組成物を含む。
この組成物(組成物に対する別称は「コンポジット」である)の基材への施与は、当業者に公知の方法によって可能である。特に本発明によるポリマーは、電極スラリーを用いて基材に施与される。電極素子の基材は特に、導電性材料、好ましくは金属、炭素材料、酸化物物質から選択される。
好ましい金属は、白金、金、鉄、銅、アルミニウムまたはこれらの金属の組合せ物から選択される。好ましい炭素材料は、ガラス状炭素、グラファイトフィルム、グラフェン、炭素シートから選択される。好ましい酸化物物質は例えば、インジウム・スズ酸化物(ITO)、インジウム・亜鉛酸化物(IZO)、アンチモン・亜鉛酸化物(AZO)、フッ素・スズ酸化物(FTO)またはアンチモン・スズ酸化物(ATO)からなる群から選択される。
電極素子の表面層は少なくとも、電荷を貯蔵するためのレドックス活性材料としての本発明によるポリマーと、特に少なくとも1種の導電性添加剤と結合添加剤とを含有する。
導電性添加剤は特に、少なくとも1種の導電性材料、好ましくは炭素材料、導電性ポリマーからなる群から選択されるものであり、特に炭素材料である。炭素材料は特に、プレートレット型カーボン、炭素繊維、カーボンナノチューブ、グラファイト、カーボンブラック、グラフェンからなる群から選択され、特に好ましくは炭素繊維である。導電性ポリマーは特に、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)ポリスチレンスルホナート(=PEDOT:PSS)、ポリアセン(Polyarcene)からなる群から選択される。
結合添加剤とは、特に結合特性を示す材料であり、好ましくはポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリヘキサフルオロプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリアクリレート、ポリメタクリレート、ポリスルホン、セルロース誘導体、ポリウレタンからなる群から選択されるポリマーである。
ここで、ポリマーPは特に、電極素子の基材に電極スラリーで施与される。
電極スラリーは、溶液または懸濁液であり、本発明によるポリマーと、特に上記の導電性添加剤と、上記の結合添加剤とを含む。
電極スラリーは好ましくは、溶媒と、電気エネルギーを貯蔵するためのレドックス活性材料を含有するさらなる構成要素(これは特に、本発明によるポリマーである)と、好ましくはさらに導電性添加剤と、結合添加剤とを含む。
さらなる構成要素において、電気エネルギーを貯蔵するためのレドックス活性材料(これは特に、本発明によるポリマーである)の割合は好ましくは、5〜100重量%であり、導電性添加剤の割合は、0〜80重量%、好ましくは5〜80重量%であり、結合添加剤の割合は、0〜10重量%、好ましくは1〜10重量%であり、ここで、その合計は100重量%になる。
電極スラリーのための溶媒としては、互いに独立して、1種または複数種の溶媒、好ましくは高沸点の溶媒、より好ましくはN−メチル−2−ピロリドン、水、ジメチルスルホキシド、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、γ−ブチロラクトン、テトラヒドロフラン、ジオキソラン、スルホラン、N,N’−ジメチルホルムアミド、N,N’−ジメチルアセトアミドからなる群から選択されるものが使用される。電気エネルギーを貯蔵するためのレドックス活性材料、特に本発明によるポリマーの、上記の電極スラリーにおける濃度は、好ましくは0.1〜10mg/ml、特に好ましくは0.5〜5mg/mlである。
電荷貯蔵体用レドックス活性材料としての本発明のポリマーが正極素子として使用される場合、負極で電荷を貯蔵するためのレドックス活性材料としては、本発明のポリマーよりも低い電気化学電位でのレドックス反応を示す材料が使用される。このような材料は好ましくは、炭素材料、特にグラファイト、グラフェン、カーボンブラック、炭素繊維、カーボンナノチューブからなる群から選択されているもの、金属または合金、特にリチウム、ナトリウム、マグネシウム、リチウム−アルミニウム、Li−Si、Li−Sn、Li−Ti、Si、SiO、SiO、Si−SiO錯体、Zn、Sn、SnO、SnO、PbO、PbO、GeO、GeO、WO、MoO、Fe、Nb、TiO、LiTi12およびLiTiから選択されているもの、ならびに有機レドックス活性材料からなる群から選択されている。有機レドックス活性材料の例は、安定的な有機ラジカルを有する化合物、有機硫黄単位を有する化合物、キノン構造を有する化合物、ジオン系を有する化合物、共役カルボン酸および共役カルボン酸塩、フタルイミド構造またはナフタルイミド構造を有する化合物、ジスルフィド結合を有する化合物、およびフェナントレン構造を有する化合物、ならびにその誘導体である。負極において上記のレドックス活性オリゴマーまたはポリマー化合物が使用される場合、この化合物はまた、これらのオリゴマーまたはポリマー化合物、導電性添加剤および結合添加剤から任意の比でなるコンポジット、つまり組成物であってもよい。この場合にも導電性添加剤は特に、少なくとも1種の導電性材料、好ましくは炭素材料、導電性ポリマーからなる群から選択されるものであり、特に炭素材料である。炭素材料は特に、炭素繊維、カーボンナノチューブ、グラファイト、カーボンブラック、グラフェンからなる群から選択されており、特に好ましくは炭素繊維である。導電性ポリマーは特に、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)ポリスチレンスルホナート(PEDOT:PSS)、ポリアセン(Polyarcene)からなる群から選択されている。この場合にも結合添加剤は特に、結合特性を示す材料であり、好ましくはポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリヘキサフルオロプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリアクリレート、ポリメタクリレート、ポリスルホン、セルロース誘導体、ポリウレタンからなる群から選択されるポリマーである。
このコンポジットは、上述のように電極スラリーを用いて、公知の塗膜形成法により基材上の層として存在していてよい。
以下の例により本発明をさらに説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

I. 使用した化学物質
2,2,6,6−テトラメチル−4−ピペリジニルメタクリレート(CAS番号:31582−45−3、融点61℃、以下、「TAA−ol−MA」と略記)を、従来技術の方法によって合成した。
エチレングリコールジメタクリレート(CAS番号:97−90−5)を、Evonikより入手した。
ペルオキソ二硫酸アンモニウム(CAS番号:7727−54−0)を、Sigma Aldrichより入手した。
ポリオキシエチレンノニルフェニルエーテル(CAS番号:68412−54−4)を、Sigma Aldrichより入手した。
ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム塩(CAS番号:25155−30−0)を、Sigma Aldrichより入手した。
4,4’−アゾビス(4−シアノ吉草酸)(CAS番号:2638−94−0)を、Wako V−501#AWL2803より入手した。
タングステン酸ナトリウム二水和物(CAS番号:10213−10−2)を、Sigma Aldrichより入手した。
エチレンジアミン四酢酸(以下、「EDTA」と略記;CAS番号:60−00−4)を、Rothより入手した。
TEMPO(2,2,6,6−テトラメチルピペリジニル−N−オキシル;CAS番号:2564−83−2)を、Sigma Aldrichより入手した。
II. TAA−olの重合によるポリ(2,2,6,6−テトラメチルピペリジニルオキシルメタクリレート)1の生成
TAA−ol−MA(融点61℃)150.0gと、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム塩2部とポリオキシエチレンノニルフェニルエーテル1部との混合物1gと、エチレングリコールジメタクリレート2.7gとを、撹拌機および冷却器を備えた1Lの二重ジャケット反応器内で水467mlに加え、これを65℃に加熱した。その後、この混合物を、ウルトラタラックス(Ultraturrax)(機器:Ultra−Turrax Tシリーズの分散装置;企業:IKA−Werke GmbH&Co.KG;型式:T 25 D;分散器具:S 25 N − 25G)を用いて6000rpmで15分間分散させ、その後、30分間かけて40℃に冷却しながら分散させた。
こうして得られた分散液を反応器に移し、反応器内で40℃に調温した。これを窒素ブランケット下に置き、後続の反応の間、窒素を継続的に通した。その後、ペルオキソ二硫酸アンモニウム0.27gを添加してこれを一晩撹拌したが、その際、温度は、40℃〜45℃であった。その後、反応を完結させるために、これを65℃でさらに1時間重合させた。その後、この溶液を室温まで冷却した。
ポリマー1の定量的収率は、約90%に相当していた。ポリマー1は、反応器中に微細な沈殿物として存在し、問題なくろ過して単離することができた。
III. 比較試験V1〜V6および本発明による試験E1〜E3:1の酸化によるポリ(2,2,6,6−テトラメチルピペリジニルオキシルメタクリレート)2の生成
第II節に記載の通りに得られた40gのポリマー1を、フラスコ内で水20gを用いてスラリー状にした。このフラスコを、水浴または氷浴を用いて、室温(25℃;V2、V4、V5、V6)または1℃(V1、V3、E1、E3)に調温した。その後、撹拌モータで撹拌しながら、水80g(V1、V2)、水とメタノールとの混合物80g(V3、V4)、水とエタノールとの混合物80g(V5、V6)または水とエタノールとの混合物80g(E1、E2、E3)を加えた。比較試験V5およびV6の場合、エタノールと水との比を所望の比に調節するため、エタノールを添加する前に、スラリー状とするのに使用したものに相応する割合の水を除去した。比較試験V3および本発明による試験E1およびE3の場合には、アルコール溶液を添加した後に、得られた懸濁液を、0℃に(V3、E1)、または冷媒混合物を用いて約−12℃に(E3)冷却した。次いで、こうして得られた懸濁液をさらに30分間撹拌して、ポリマーを膨潤させた。
次いで、タングステン酸ナトリウム二水和物1.76gおよびEDTA0.45gを加えた。そして約1分後、酸化のために、まず30%過酸化水素水溶液27.2gを少量ずつ加え、さらに30分後に50%過酸化水素水溶液27.2gを加えた。その後、このバッチを、第V節の表に示した温度Tで90時間撹拌し、終了頃にさらに1時間で40℃に加熱した。
その後、反応混合物を冷却し、ひだ付ろ紙でろ過し、水50gで3回洗浄し、次いで真空乾燥キャビネットに一晩置いた。酸化の完全性(酸化度=N O・に酸化された第2級NH基の割合)を、ESRにより求めた。
IV. ESR分析
電子スピン共鳴スペクトルを、Bruker Corporation社のスピンEMXmicro CW−EPRスペクトロメータ(EMX micro EMM−6/1/9−VT制御ユニット、ER 070磁性体、EMX premium ER04 Xバンドマイクロ波ブリッジ(EMX標準共振器、EMX080電源ユニットを搭載))により記録した。試料を室温で分析し、Bruker Xenonソフトウェアパッケージ、バージョン1.1b86. SpinCount(登録商標)ソフトウェアモジュールを用いて定量的に評価した。このスペクトロメータについて、TEMPO(純度99%、Sigma−Aldrich Chemie GmbH)を標準物質としてキャリブレーションを行った。試料測定中に、内部標準物質は存在しなかった。各物質について、3つの試料を分析した。
V. 結果
以下の表に、酸化の間に溶液中に存在していた水とメタノールまたはエタノールとの比、酸化の際に用いた温度、およびESRにより求めた酸化度の高さを示す。
Figure 0006650054
VI. 結果
項目Vに示した表から、エタノールと水との混合物を使用した場合には、水を用いた場合(V1、V2)または水とメタノールとの混合物を用いた場合(V3、V4)よりも良好な酸化度が達成されることが分かる。しかしこの効果は、比較例V5およびV6と本発明による例E1、E2およびE3との比較から明らかであるように、エタノールが水に対して過少量で存在する溶媒についてのみ認められた。
本発明による例E1、E2およびE3において認められた98%または98.4%という酸化度は、従来技術に記載された酸化度(欧州特許出願公開第1911775号明細書(EP 1911775 A1)の第8頁、第33行目には、転化効率が95.5%であると記載されている)よりも高い。
エタノールを水に対して過少量で含有する水性溶媒においてこうした高い酸化度を認め得るというこうした結果は、非常に驚くべきものである。

Claims (11)

  1. 一般化学構造(I)
    Figure 0006650054
    の繰返し単位をn個含むポリマーPの製造方法において、一般化学構造(II)
    Figure 0006650054
    の繰返し単位をn個含むポリマーPを、水およびエタノールを含む溶媒中で酸化させ、ここで、前記溶媒中にはエタノールが水に対して過少量で存在し、
    、nは、互いに独立してそれぞれ、4〜3000000の範囲の整数であり、
    前記ポリマーP内の前記化学構造(I)の繰返し単位は、同じであるかまたは少なくとも部分的に互いに異なり、
    前記ポリマーP内の前記化学構造(I)の繰返し単位は、互いに連結されており、該連結は、ある繰返し単位の「#」によって示される結合が、隣接する繰返し単位の「##」によって示される結合と連結するように行われており、
    前記ポリマーP内の前記化学構造(II)の繰返し単位は、同じであるかまたは少なくとも部分的に互いに異なり、
    前記ポリマーP内の前記化学構造(II)の繰返し単位は、互いに連結されており、該連結は、ある繰返し単位の「#」によって示される結合が、隣接する繰返し単位の「##」によって示される結合と連結するように行われており、
    前記化学構造(I)および(II)において、前記基R、R、R、R、Rは、水素、炭素原子を1〜4個有する分岐状または非分岐状のアルキル基からなる群から選択され、
    Xは、*−CH−C’H−CH−**、*−C’H−CH−**、*−C’=CH−**からなる群から選択され、
    「*」はそれぞれ、RおよびRと連結している炭素原子への結合を表し、
    「**」はそれぞれ、RおよびRと連結している炭素原子への結合を表し、
    「C’」は、さらに基Yと連結している炭素原子を表し、
    Yは、橋かけ基(III)および(IV)から選択され、
    (III)は、構造&−(Yp1−[C=Xp2−(Yp3−B−(Yp6−[C=Xp5−(Yp4−&&を有し、
    (IV)は、構造&−(Yp9−(C=Xp8−(Yp7−&&を有し、
    前記橋かけ基(III)および(IV)において、
    p1、p2、p3はそれぞれ、0または1であるが、ただしp1=p3=1とp2=0とは同時には成り立たず、
    p4、p5、p6はそれぞれ、0または1であるが、ただしp4=p6=1とp5=0とは同時には成り立たず、
    p7、p8、p9はそれぞれ、0または1であるが、ただしp7=p9=1とp8=0とは同時には成り立たず、p7=1でかつp8=0である場合にはp9=0であり、
    、X、Xは、互いに独立して、O、Sからなる群から選択され、
    、Y、Y、Y、Y、Yは、互いに独立して、O、S、NH、N−アルキルからなる群から選択され、
    は、p1=1、p2=p3=0である場合には、N O・であってもよく、
    は、p4=1、p5=p6=0である場合には、N O・であってもよく、
    は、p9=1、p7=p8=0である場合には、N O・であってもよく、
    Bは、置換されていてもよい2価の(複素)芳香族基であるか、または置換されていてもよい2価の脂肪族基であり、ここで、前記置換されていてもよい脂肪族基は、エーテル、チオエーテル、ニトロキシル化されていてもよいアミノエーテル、カルボニル基、カルボン酸エステル基、カルボン酸アミド基、スルホン酸エステル基、リン酸エステルから選択される少なくとも1つの基をさらに有することができ、
    Yに関する「&&」は、YとXとを連結させる結合を表し、かつ
    Yに関する「&」は、Yと、前記Rと連結している炭素原子とを連結させる結合を表す
    ことを特徴とする方法。
  2. 、X、X、Y、Y、Y、Y、Y、Yは、互いに独立して、O、Sからなる群から選択され、かつ
    Bは、置換されていてもよい2価の(複素)芳香族基であるか、または置換されていてもよい2価の脂肪族基であり、ここで、前記置換されていてもよい脂肪族基は、エーテル、チオエーテル、カルボニル基、カルボン酸エステル基、スルホン酸エステル基、リン酸エステルから選択される少なくとも1つの基をさらに有することができる、請求項1記載の方法。
  3. =R=R=R=メチルであり、かつRは水素またはメチルであり、かつ
    Bは、2価の(複素)芳香族基であるか、または−F、−Cl、−Br、−Iから選択される基で置換されていてもよい2価の脂肪族基であり、ここで、前記置換されていてもよい脂肪族基は、エーテル、チオエーテルから選択される少なくとも1つの基をさらに有することができる、請求項2記載の方法。
  4. =X=X=Y=Y=Y=Y=Y=Y=Oであり、かつ
    Bは、フェニレンであるか、または−F、−Cl、−Br、−Iから選択される少なくとも1つの基で置換されていてもよいアルキレン基である、請求項3記載の方法。
  5. Xは、*−CH−C’H−CH−**である、請求項1から4までのいずれか1項記載の方法。
  6. 前記一般化学構造(I)は、以下の構造(I)’’’’を有し、かつ前記一般化学構造(II)は、以下の構造(II)’’’’を有し:
    Figure 0006650054
    ここで、Rは、メチルまたは水素である、請求項5記載の方法。
  7. 40℃以下の温度Tで行う、請求項1から6までのいずれか1項記載の方法。
  8. 前記溶媒中での水対エタノールの重量比は、51:49〜99:1の範囲にある、請求項1から7までのいずれか1項記載の方法。
  9. 前記溶媒中のエタノールの重量と水の重量との合計の割合は、該溶媒の全重量を基準として少なくとも50重量%である、請求項1から8までのいずれか1項記載の方法。
  10. エタノール以外のすべてのC〜Cアルコールの前記溶媒中での重量割合は、該溶媒に含まれるエタノールの重量を基準として50重量%未満である、請求項8または9記載の方法。
  11. 、nは、互いに独立してそれぞれ、4〜1000000の範囲の整数である、請求項1から10までのいずれか1項記載の方法。
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