JP6666186B2 - 酸素還元用電極、空気電池および金属錯体 - Google Patents

Description

本発明は、酸素還元用電極、空気電池および金属錯体に関する。

酸素還元反応は、空気電池、燃料電池、酸素センサーなどの用途に利用されている。

空気電池は、当該電池外部から正極活物質である酸素が供給されるため、電池内に正極活物質を収容する必要がない。そのため、電池内に大量の負極活物質を充填することができ、非常に高いエネルギー密度を達成することができるため、期待が寄せられている。

空気電池は、酸素の還元能を有する電極（正極）と、金属または金属合金を負極活物質とする負極と、電解液とを有する電池である。電池の放電反応は、例えば、以下の式で表わされる。
正極：Ｏ_２＋２Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻ → ４ＯＨ⁻
負極：２Ｍ＋４ＯＨ⁻ → ２Ｍ（ＯＨ）_２＋４ｅ⁻
全反応：２Ｍ＋Ｏ_２＋２Ｈ_２Ｏ → ２Ｍ（ＯＨ）_２

空気電池として、例えば、特許文献１には、正極としてカーボン（炭素繊維シート）を、負極にはマグネシウムを用いた空気電池が開示されている。

特開２０１１−１８１３８２号公報

しかしながら、特許文献１に記載の正極としてのカーボンのみ用いた空気電池は、酸素還元活性が充分ではなかった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、酸素還元に優れる酸素還元用電極、空気電池およびそれに用いられる金属錯体を提供する。

すなわち本発明は、以下の発明を提供する。
本発明は第一に、配位子と、金属とを有し、該配位子が、式（１）で表される芳香族化合物である金属錯体を含有する酸素還元用電極を提供する。

（式（１）中、Ｑ^１、Ｒ^１、Ｒ^２およびＲ^３はそれぞれ独立に水素原子または一価の置換基である。複数のＱ^１、Ｒ^１、Ｒ^２およびＲ^３はそれぞれ同じでも異なっていてもよい。式（１）中、電荷の記載は省略してある。）
本発明は第二に、前記Ｑ^１が、窒素含有複素環またはハロゲン原子である前記酸素還元用電極を提供する。
本発明は第三に、前記金属が、コバルトおよび鉄からなる群から選ばれる１種以上の金属である前記酸素還元用電極を提供する。
本発明は第四に、空気電池用電極である前記酸素還元用電極を提供する。
本発明は第五に、前記酸素還元用電極を有する空気電池を提供する。
本発明は第六に、式（２）で表される芳香族化合物を提供する。

（式（２）中、Ｑ^２は窒素含有複素環またはハロゲン原子である。Ｒ^４、Ｒ^５およびＲ^６はそれぞれ独立に水素原子または一価の置換基である。複数のＱ^２、Ｒ^４、Ｒ^５およびＲ^６はそれぞれ同じでも異なっていてもよい。）
本発明は第七に、配位子と、金属とを有し、該配位子が、式（３）で表される芳香族化合物である金属錯体を提供する。

（式（３）中、Ｑ^３は窒素含有複素環またはハロゲン原子である。Ｒ^７、Ｒ^８およびＲ^９はそれぞれ独立に水素原子または一価の置換基である。複数のＱ^３、Ｒ^７、Ｒ^８およびＲ^９はそれぞれ同じでも異なっていてもよい。式（３）中、電荷の記載は省略してある。）

本発明によれば、酸素還元に優れる酸素還元用電極を得ることができ、空気電池の出力を向上させることができる。

本実施形態の空気電池の一例を示す概略模式図である。

以下、本実施形態について詳細に説明する。

本発明の酸素還元用電極は、金属錯体を含有する。

本発明の金属錯体は、式（１）で表される芳香族化合物を配位子とする。

（式（１）中、Ｑ^１、Ｒ^１、Ｒ^２、Ｒ^３はそれぞれ独立に水素原子または一価の置換基である。複数のＱ^１、Ｒ^１、Ｒ^２、Ｒ^３はそれぞれ同じでも異なっていてもよい。式（１）中、電荷の記載は省略してある。）

式（１）は電荷の記載を省略してある。式（１）中のＮはプロトンがついてもよく、式（１）中のフェノラートにはプロトンがついてフェノール構造になっていてもよい。

上記Ｒ^１、Ｒ^２、Ｒ^３はそれぞれ独立に水素原子または一価の置換基である。Ｒ^１、Ｒ^２、Ｒ^３における一価の置換基の例としては、ハロゲン原子、ヒドロキシル基、カルボキシル基、メルカプト基、スルホン酸基、ニトロ基、ホスホン酸基、アルキル基を有する全炭素数１〜１８のシリル基、全炭素数１〜５０の直鎖、分岐または環状の飽和炭化水素基、全炭素数１〜５０の直鎖、分岐または環状のアルコキシ基、全炭素数６〜６０の芳香族基が例示される。
前記ハロゲン原子としては、フッ素原子、塩素原子などが例示される。
前記アルキル基を有する全炭素数１〜１８のシリル基としては、トリメチルシリル基、ｔｅｒｔ−ブチルジメチルシリル基などが例示される。
前記全炭素数１〜５０の直鎖、分岐または環状の飽和炭化水素基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、シクロプロピル基、ブチル基、イソブチル基、ｔｅｒｔ−ブチル基、ペンチル基、シクロペンチル基、ヘキシル基、シクロヘキシル基、ノルボニル基、ノニル基、シクロノニル基、デシル基、３，７−ジメチルオクチル基、アダマンチル基、ドデシル基、シクロドデシル基、ペンタデシル基、オクタデシル基、ドコシル基などが例示される。
前記全炭素数１〜５０の直鎖、分岐または環状のアルコキシ基としては、メトキシ基、エトキシ基、プロピオキシ基、ブトキシ基、ペンチルオキシ基、ブトキシ基、ペンチルオキシ基、シクロヘキシルオキシ基、ノルボニルオキシ基、デシルオキシ基、ドデシルオキシ基などが例示される。
前記全炭素数６〜６０の芳香族基としては、フェニル基、４−メチルフェニル基、４−オクチルフェニル基、１−ナフチル基、２−ナフチル基、９−アントリル基などが例示される。

前記Ｒ^１は水素原子、全炭素数１〜５０の直鎖、分岐または環状の飽和炭化水素基、全炭素数６〜６０の芳香族基が好ましく、水素原子、全炭素数１〜１８の直鎖、分岐または環状の飽和炭化水素基、全炭素数６〜３６の芳香族基がより好ましく、全炭素数６〜１８の芳香族基が更に好ましく、フェニル基が特に好ましい。該フェニル基には置換基として炭素数１〜１６のアルキル基を有していてもよい。

前記Ｒ^２は水素原子、全炭素数１〜５０の直鎖、分岐または環状の飽和炭化水素基が好ましく、水素原子、全炭素数１〜１８の直鎖飽和炭化水素基がより好ましく、水素原子が更に好ましい。
４つあるＲ^２はそれぞれ同じでも異なっていてもよいが、同じであることが好ましい。

前記Ｒ^３は水素原子、ハロゲン原子、ヒドロキシル基、全炭素数１〜５０の直鎖、分岐または環状の飽和炭化水素基、全炭素数１〜５０の直鎖、分岐または環状のアルコキシ基が好ましく、水素原子、全炭素数１〜１８の直鎖または分岐の飽和炭化水素基、全炭素数１〜１８の直鎖または分岐のアルコキシ基がより好ましく、水素原子、全炭素数１〜１８の直鎖または分岐の飽和炭化水素基が更に好ましい。
６つあるＲ^３はそれぞれ同じでも異なっていてもよいが、異なっていることが好ましい。６つあるＲ^３のうち、Ｒ^３と結合するベンゼン環の置換基Ｏの位置から見て、メタ位にあるＲ^３は、全炭素数１〜１８の直鎖または分岐の飽和炭化水素基よりも水素原子であることが好ましい。Ｒ^３を有するベンゼン環のＯの位置から見て、パラ位にあるＲ^３は水素原子よりも全炭素数１〜１８の直鎖または分岐の飽和炭化水素基であることが好ましい。

上記Ｑ^１は水素原子または一価の置換基である。Ｑ^１における一価の置換基としては、上記Ｒ^１、Ｒ^２、Ｒ^３における一価の置換基と同じものが例示され、加えてフラン環、チオフェン環、ピロール環、ピリジン環、ピラジン環、ピリミジン環、ピリダジン環、イミダゾール環、フォスファベンゼン環、などの全炭素数３〜６０の芳香族複素環が例示される。これらの環はハロゲン原子や炭素原子数１〜１８のヒドロカルビル基、炭素原子数１〜１８のヒドロカルビルオキシ基を置換基として有していてもよい。ただし、該置換基は、酸素還元活性に影響を与えない範囲で汎用溶媒に対する溶解性を増し操作性を向上させる目的で導入され得るものであるため、金属中心への電子的な寄与が少ない炭素原子数１〜１８のヒドロカルビル基が好ましい。また、これらの環はさらに芳香環が縮合していてもよい。
なお、Ｑ^１における一価の置換基であるこれらの環は、一価の置換基であるので、これらの環から水素原子を一つ除いてなる基のことを指す。例えば、該これらの環が具体的にピリジン環であれば、Ｑ^１はピリジル基である。

２つあるＱ^１は２つとも水素原子であるよりも少なくとも一方は一価の置換基であることが好ましく、２つとも一価の置換基であることがより好ましい。

Ｑ^１における一価の置換基としては、ハロゲン原子、ヒドロキシル基、カルボキシル基、メルカプト基、スルホン酸基、ニトロ基、ホスホン酸基、全炭素数１〜１８の直鎖または分岐の飽和炭化水素基、全炭素数６〜１８の芳香族基、全炭素数３〜１８の芳香族複素環が好ましく、ハロゲン原子、全炭素数３〜１８の芳香族複素環がより好ましい。該芳香族複素環としては、酸素還元活性が高くなるので、窒素含有複素環であることが好ましい。該窒素含有複素環としては、ピリジン環、ピリダジン環、ピリミジン環、ピラジン環、トリアジン環、フェナンスロリン環、ビピリジン環、ジピロリルメチレン環、キノリン環、イソキノリン環、イミダゾール環、ピラゾール環、オキサゾール環、チアゾール環、オキサジアゾール環、チアジアゾール環、アザジアゾール環、アクリジン環、Ｎ−アルキルピロール環などが挙げられ、ピリジン環、ピリダジン環、ピリミジン環、フェナンスロリン環、ビピリジン環、イミダゾール環が好ましく、ピリジン環、ピリダジン環、ピリミジン環がより好ましい。Ｑ^１における置換基としてのハロゲン原子は、塩素原子または臭素原子が好ましい。

Ｑ^１が一定以上嵩高いと、２つあるＱ^１同士の立体反発により配位子の分子構造が平面性を損なって酸素還元活性が低下するので、Ｑ^１は、式（１）で表される芳香族化合物が平面性を保つ程度に嵩が小さい置換基であることが好ましい。
２つあるＱ^１は同じでも異なっていてもよいが、上述のように２つあるＱ^１同士が立体反発をしないように、片方のＱ^１が嵩高い場合はもう片方のＱ^１はコンパクトであることが好ましい。例えば、片方のＱ^１がフェナンスロリン環やビピリジン環であれば、もう方方のＱ^１は水素原子やハロゲン原子であることが好ましい。
製造容易性の観点から、２つあるＱ^１は同じであることが好ましい。

前記式（１）で表される芳香族化合物の具体例を、以下（Ａ１）〜（Ａ３０）に示す。

（Ａ１）〜（Ａ３０）の電荷は式（１）と同様に省略してある。Ｍｅはメチル基、Ｅｔはエチル基、ｎＢｕはノルマルブチル基、ｔＢｕはｔｅｒｔ−ブチル基、ｎＯｃｔはノルマルオクチル基、ｔＯｃｔはｔｅｒｔ−オクチル基である。（Ａ１）〜（Ａ３０）にＲが記載されている場合、Ｒは水素原子または炭素原子数１〜１８のヒドロカルビル基である。Ｒが水素原子のとき、プロトンとして外れてもよい。
Ａ１〜Ａ３０のうち、式（１）中の２つのＱ^１に相当する置換基同士の立体障害が少ない観点で、好ましくはＡ１〜Ａ３、Ａ５〜Ａ１３、Ａ１５、Ａ１６、Ａ１８、Ａ２０、Ａ２２、Ａ２４〜３０であり、式（１）中の２つのＱ^１に相当する置換基のうち少なくとも１つがハロゲン原子または窒素含有複素環である観点から、より好ましくはＡ５〜Ａ１３、Ａ１５、Ａ２０、Ａ２２、Ａ２４〜２９であり、式（１）中の２つのＱ^１に相当する置換基が同じである観点から更に好ましくは、Ａ５〜Ａ１３、Ａ１５、Ａ２０、Ａ２２である。

前記金属錯体における金属は、第３族〜第９族の遷移金属が例示される。この中でもスカンジウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、イットリウム、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、ルテニウム、ロジウム、ハフニウム、タンタル、タングステン、レニウム、オスミウム、イリジウムが好ましく、第４周期であるチタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルトがより好ましい。酸素還元活性が高いので、鉄またはコバルトが更に好ましく、コバルトが特に好ましい。

前記金属錯体における金属は、無電荷であっても、架電しているイオンであってもよい。

前記金属錯体における金属は、単核であっても２核であっても３核以上であってもよく、単核または２核であることが好ましい。２核以上の場合、それぞれの金属種は同種であっても異種であってもよい。

前記金属錯体は、金属の数と電価によって、全体が中性になるようにカウンターアニオンを有していてもよい。カウンターアニオンの種類の例としては、後述する金属塩のアニオン部が上げられる。すなわち、例えば酢酸イオン、ハロゲン化物イオンなどを有していてもよい。該金属錯体は、電極として用いる際の取扱容易性の観点から、錯体１分子に対しカウンターアニオン０〜１個であることが好ましい。

前記式（１）で表される芳香族化合物を配位子とする金属錯体の具体例を、以下Ｃｏ−Ａ５、Ｃｏ−Ａ６、Ｃｏ−Ａ７、Ｃｏ−Ａ８、Ｆｅ−Ａ５、Ｆｅ−Ａ６、Ｆｅ−Ａ７、Ｆｅ−Ａ８、Ｃｏ２−Ａ９、Ｃｏ２−Ａ１０、Ｆｅ２−Ａ１１、ＦｅＣｏ−Ａ１２、Ｃｏ−Ａ９、Ｃｏ−Ａ１０、Ｆｅ−Ａ１１、Ｃｏ−Ａ１２、Ｔｉ２−Ａ１３、Ｖ２−Ａ１３、Ｃｒ２−Ａ１５、Ｍｎ２−Ａ１５、Ｃｏ−Ａ２０、Ｆｅ−Ａ２０、Ｃｏ２−Ａ２２、Ｆｅ２−Ａ２２、Ｃｏ２−Ａ２４、Ｃｏ２−Ａ２５、Ｃｏ２−Ａ２６、Ｃｏ２−Ａ２７、Ｃｏ２−Ａ２８、Ｃｏ２−Ａ２９に示す。

上記式の電荷およびカウンターアニオンは省略してある。Ｒが記載されている場合、Ｒは水素原子または炭素原子数１〜１８のヒドロカルビル基である。
Ｃｏ−Ａ５、Ｃｏ−Ａ６、Ｃｏ−Ａ７、Ｃｏ−Ａ８、Ｆｅ−Ａ５、Ｆｅ−Ａ６、Ｆｅ−Ａ７、Ｆｅ−Ａ８、Ｃｏ２−Ａ９、Ｃｏ２−Ａ１０、Ｆｅ２−Ａ１１、ＦｅＣｏ−Ａ１２、Ｃｏ−Ａ９、Ｃｏ−Ａ１０、Ｆｅ−Ａ１１、Ｃｏ−Ａ１２、Ｔｉ２−Ａ１３、Ｖ２−Ａ１３、Ｃｒ２−Ａ１５、Ｍｎ２−Ａ１５、Ｃｏ−Ａ２０、Ｆｅ−Ａ２０、Ｃｏ２−Ａ２２、Ｆｅ２−Ａ２２、Ｃｏ２−Ａ２４、Ｃｏ２−Ａ２５、Ｃｏ２−Ａ２６、Ｃｏ２−Ａ２７、Ｃｏ２−Ａ２８、Ｃｏ２−Ａ２９のうち、配位子構造が式（１）中の２つのＱ^１に相当する置換基が同じである観点から、好ましくは、Ｃｏ−Ａ５、Ｃｏ−Ａ６、Ｃｏ−Ａ７、Ｃｏ−Ａ８、Ｆｅ−Ａ５、Ｆｅ−Ａ６、Ｆｅ−Ａ７、Ｆｅ−Ａ８、Ｃｏ２−Ａ９、Ｃｏ２−Ａ１０、Ｆｅ２−Ａ１１、ＦｅＣｏ−Ａ１２、Ｃｏ−Ａ９、Ｃｏ−Ａ１０、Ｆｅ−Ａ１１、Ｃｏ−Ａ１２、Ｔｉ２−Ａ１３、Ｖ２−Ａ１３、Ｃｒ２−Ａ１５、Ｍｎ２−Ａ１５、Ｃｏ−Ａ２０、Ｆｅ−Ａ２０、Ｃｏ２−Ａ２２、Ｆｅ２−Ａ２２である。金属種が鉄またはコバルトである観点から、より好ましくはＣｏ−Ａ５、Ｃｏ−Ａ６、Ｃｏ−Ａ７、Ｃｏ−Ａ８、Ｆｅ−Ａ５、Ｆｅ−Ａ６、Ｆｅ−Ａ７、Ｆｅ−Ａ８、Ｃｏ２−Ａ９、Ｃｏ２−Ａ１０、Ｆｅ２−Ａ１１、ＦｅＣｏ−Ａ１２、Ｃｏ−Ａ９、Ｃｏ−Ａ１０、Ｆｅ−Ａ１１、Ｃｏ−Ａ１２、Ｃｏ−Ａ２０、Ｆｅ−Ａ２０、Ｃｏ２−Ａ２２、Ｆｅ２−Ａ２２である。金属種にコバルトを含む観点から、更に好ましくはＣｏ−Ａ５、Ｃｏ−Ａ６、Ｃｏ−Ａ７、Ｃｏ−Ａ８、Ｃｏ２−Ａ９、Ｃｏ２−Ａ１０、ＦｅＣｏ−Ａ１２、Ｃｏ−Ａ９、Ｃｏ−Ａ１０、Ｃｏ−Ａ１２、Ｃｏ−Ａ２０、Ｃｏ２−Ａ２２である。

次に、式（１）で表される芳香族化合物の製造方法について説明する。
式（１）で表される芳香族化合物は、一般に知られている反応を組み合わせることで合成することができ、特に限定されるものではない。例えば、以下に示す式（４）のスキームにより好適に製造することができる。

式（４）に一形態を示す。原料としてＱ^１とピロール環を有する化合物を有機化学的に合成した後、Ｒ^１を有するアルデヒド化合物を混合して、ピロール環部位へ結合させることができる。得られる中間生成物は２つのピロール環の間にメチン構造を有するので、メチン水素を適切な酸化剤を用いてメチレン体に変換することで本発明の芳香族化合物を得ることができる。前記酸化剤は、空気中の酸素や２，３−ジクロロ−５，６−ジシアノ−ｐ−ベンゾキノン（ＤＤＱ）などの一般的な酸化剤を適宜選択して用いることができる。式（４）の反応は、一般的にポルフィリン誘導体を合成する際の環化反応などに用いられる汎用な手法を適応することができる。

式（４）おいて、ＯＨ部位、ＮＨ部位はそれぞれ汎用な保護基をつけておいてもよい。例えば、ＯＨのＨ部位はメトキシメチル保護やメチル保護などをした状態であってもよく、ＮＨのＨ部位はｔｅｒｔ−ブトキシカルボニル保護をした状態であってもよい。この場合、式（４）の反応を行った後に脱保護反応を行うことで、式（１）で表される芳香族化合物を合成することができる。

また、式（４）おけるＱ^１は、後の反応においてＱ^２に変換できるＱ^２とは別の置換基であってもよい。例えば、式（４）におけるＱ^２部位が臭素原子あるいはヨウ素原子であり、式（４）の反応後に鈴木反応、山本反応、檜山反応、スティル反応などのクロスカップリング反応を行うことで窒素含有複素環基へ変換することができる。

次に、式（１）で表される芳香族化合物を配位子とする金属錯体の製造方法について説明する。
金属錯体の製造方法には、特に制限はないが、式（１）で表される芳香族化合物を有機化学的に合成した後、得られた化合物に、目的の金属種を含有する金属塩を溶媒中で混合して反応させることで得られる。反応させる金属塩の量は特に限定されず、目的とする錯体に応じて、金属塩の量を調節すればよいが、通常、配位子となる芳香族化合物に対して小過剰量の金属塩を用いることが好ましい。

前記金属塩としては、鉄とコバルトを代表して例示すると、 鉄（ＩＩ）アセチルアセトナート、鉄（ＩＩＩ）アセチルアセトナート、硫酸鉄（ＩＩ）、酢酸鉄（ＩＩ）、トリフルオロメタンスルホン酸鉄（ＩＩ）、塩化鉄（ＩＩ）、塩化鉄（ＩＩＩ）、硝酸鉄（ＩＩＩ）、鉄（ＩＩ）メトキシド、鉄（ＩＩ）エトキシド、酢酸コバルト（ＩＩ）、酢酸コバルト（ＩＩＩ）、塩化コバルト（ＩＩ）、フッ化コバルト（ＩＩ）、フッ化コバルト（ＩＩＩ）、臭化コバルト（ＩＩ）、ヨウ化コバルト（ＩＩ）、硫酸コバルト（ＩＩ）、炭酸コバルト（ＩＩ）、硝酸コバルト（ＩＩ）、水酸化コバルト（ＩＩ）、リン酸コバルト（ＩＩ）、過塩素酸コバルト（ＩＩ）、トリフルオロ酢酸コバルト（ＩＩ）、トリフルオロメタンスルホン酸コバルト（ＩＩ）、テトラフルオロホウ酸コバルト（ＩＩ）、ヘキサフルオロリン酸コバルト（ＩＩ）、テトラフェニルホウ酸コバルト（ＩＩ）、ステアリン酸コバルト（ＩＩ）、安息香酸コバルト（ＩＩ）等があげられ、好ましくは、酢酸鉄（ＩＩ）、塩化鉄（ＩＩ）、酢酸コバルト（ＩＩ）、塩化コバルト（ＩＩ）である。

前記金属塩は、水和物であってもよく、例えば、塩化鉄（ＩＩ）４水和物、酢酸コバルト（ＩＩ）４水和物、塩化コバルト（ＩＩ）６水和物が挙げられる。

前記芳香族化合物および金属塩を混合する工程は、適当な溶媒の存在下で行う。反応で用いられる溶媒（反応溶媒）としては、水；酢酸、プロピオン酸等の有機酸類；アンモニア水、トリエチルアミン等のアミン類；メタノール、エタノール、ｎ−プロパノ−ル、イソプロピルアルコール、２−メトキシエタノール、１−ブタノール、１,１−ジメチルエタノール等のアルコール類；エチレングリコール、ジエチルエーテル、１,２−ジメトキシエタン、メチルエチルエーテル、１,４−ジオキサン、テトラヒドロフラン、ベンゼン、トルエン、キシレン、メシチレン、デュレン、デカリン等の芳香族炭化水素；ジクロロメタン、クロロホルム、四塩化炭素、クロロベンゼン、１,２−ジクロロベンゼン等のハロゲン系溶媒、Ｎ，Ｎ’−ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ’−ジメチルアセトアミド、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、ジメチルスルホキシド、アセトン、アセトニトリル、ベンゾニトリル、トリエチルアミン、ピリジン等があげられる。なお、これらの反応溶媒は、一種単独で用いても二種以上を併用してもよい。また、前記溶媒としては、配位子となる芳香族化合物および金属塩が溶解し得る溶媒が好ましい。

前記配位子化合物および金属付与剤の混合温度は、特に制限はないが、好ましくは−１０℃以上２５０℃以下、より好ましくは０℃以上２００℃以下であり、さらに好ましくは０℃以上１５０℃以下である。

また、前記芳香族化合物および金属塩の混合時間は、特に制限はないが、好ましくは１分間以上１週間以下、より好ましくは３分間以上２４時間以下、さらに好ましくは１０分以上１２時間以下である。なお、前記混合温度および混合時間は、前記芳香族化合物および金属塩の種類を考慮して調節することが好ましい。

生成した金属錯体は、公知の再結晶法、再沈殿法、クロマトグラフィー法などから適した方法を選択して適用することで、前記溶媒から取り出すことができ、この時、複数の前記方法を組み合わせてもよい。なお、前記溶媒の種類によっては、生成した前記金属錯体が析出することがあり、この場合には、析出した前記コバルト錯体を濾別等で分離した後、洗浄、乾燥等を行えばよい。

次に、式（２）で表される芳香族化合物について説明する。本発明の酸素還元用電極は、配位子と、金属とを有し、該配位子が、式（２）で表される芳香族化合物である金属錯体を含有することが好ましい。

（式（２）中、Ｑ^２は窒素含有複素環またはハロゲン原子である。Ｒ^４、Ｒ^５、Ｒ^６はそれぞれ独立に水素原子または一価の置換基である。複数のＱ^２、Ｒ^４、Ｒ^５、Ｒ^６はそれぞれ同じでも異なっていてもよい。）

式（２）におけるＲ^４、Ｒ^５、Ｒ^６の具体例と好ましい例はそれぞれ前記Ｒ^１、Ｒ^２、Ｒ^３と同じである。

式（２）におけるＱ^２の具体例と好ましい例は、前記Ｑ^１のうち、窒素含有複素環またはハロゲン原子に限定した構造と同じである。
すなわち、Ｑ^２はフッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子または窒素含有複素環である。該窒素含有複素環としては、ピリジン環、ピリダジン環、ピリミジン環、ピラジン環、トリアジン環、フェナンスロリン環、ビピリジン環、ジピロリルメチレン環、キノリン環、イソキノリン環、イミダゾール環、ピラゾール環、オキサゾール環、チアゾール環、オキサジアゾール環、チアジアゾール環、アザジアゾール環、アクリジン環、Ｎ−アルキルピロール環などが挙げられ、ピリジン環、ピリダジン環、ピリミジン環、フェナンスロリン環、ビピリジン環、イミダゾール環が好ましく、ピリジン環、ピリダジン環、ピリミジン環がより好ましい。Ｑ^２におけるハロゲン原子は、塩素原子または臭素原子が好ましい。

式（２）で表される芳香族化合物の好ましい形態は、上記Ａ５〜Ａ１３、Ａ１５、Ａ２０、Ａ２２、Ａ２４〜２６である。

式（２）で表される芳香族化合物は、一般に知られている反応を組み合わせることで合成することができ、特に限定されるものではない。例えば、以下に示す式（５）のスキームにより好適に製造することができる。

式（５）に一形態を示す。式（５）の詳細は、式（４）においてＱ^２が窒素含有複素環またはハロゲン原子である場合と同様である。

配位子と、金属とを有し、該配位子が、式（３）で表される芳香族化合物である金属錯体について説明する。本発明の酸素還元用電極は、配位子と、金属とを有し、該配位子が、式（３）で表される芳香族化合物である金属錯体を含有することが好ましい。

（式（３）中、Ｑ^３は窒素含有複素環またはハロゲン原子である。Ｒ^７、Ｒ^８、Ｒ^９はそれぞれ独立に水素原子または一価の置換基である。複数のＱ^３、Ｒ^７、Ｒ^８、Ｒ^９はそれぞれ同じでも異なっていてもよい。式（３）中、電荷の記載は省略してある。）

式（３）におけるＲ^７、Ｒ^８、Ｒ^９の具体例と好ましい例はそれぞれ前記Ｒ^１、Ｒ^２、Ｒ^３と同じであり、Ｑ^３の具体例と好ましい例は、前記Ｑ^２と同じである。

式（３）は、前記式（１）と同様に、電荷の記載を省略してあり、式（３）中のＮはプロトンがついてもよく、式（１）中のフェノラートにはプロトンがついてフェノール構造になっていてもよい。

本形態の金属錯体の構造と具体例は、前記式（１）で表される芳香族化合物を配位子とする金属錯体のうち、式（１）中のＱ１の構造を窒素含有複素環またはハロゲン原子に限定したものと同じである。

式（３）で表される金属錯体の好ましい形態は、上記Ｃｏ−Ａ５、Ｃｏ−Ａ６、Ｃｏ−Ａ７、Ｃｏ−Ａ８、Ｆｅ−Ａ５、Ｆｅ−Ａ６、Ｆｅ−Ａ７、Ｆｅ−Ａ８、Ｃｏ２−Ａ９、Ｃｏ２−Ａ１０、Ｆｅ２−Ａ１１、ＦｅＣｏ−Ａ１２、Ｃｏ−Ａ９、Ｃｏ−Ａ１０、Ｆｅ−Ａ１１、Ｃｏ−Ａ１２、Ｔｉ２−Ａ１３、Ｖ２−Ａ１３、Ｃｒ２−Ａ１５、Ｍｎ２−Ａ１５、Ｃｏ−Ａ２０、Ｆｅ−Ａ２０、Ｃｏ２−Ａ２２、Ｆｅ２−Ａ２２、Ｃｏ２−Ａ２４、Ｃｏ２−Ａ２５、Ｃｏ２−Ａ２６である。

本形態の金属錯体は、上述の前記式（１）で表される芳香族化合物を配位子とする金属錯体と同じ製法で合成することができる。

酸素還元用電極に用いる前記金属錯体は、一種を単独で用いてもよいし、二種以上を混合して用いてもよい。

本発明の酸素還元用電極は、前記金属錯体に酸素還元能があるため、導電部位に前記金属錯体が分散して含有すれば特に構造の制限はない。本発明の酸素還元用電極は、好ましくは、少なくとも前記金属錯体と、導電材と、結着材とを含有する。電極触媒として本発明の金属触媒を含むが、これら以外に、他の電極触媒を含んでいてもよい。これらは公知の如何なる方法で混合してもよいが、例えばメノウの乳鉢で混合してもよい。

前記導電材は、電極の導電性を向上させることができるものであればよく、導電性カーボンが好ましい。導電性カーボンとしては、「ノーリット」（ＮＯＲＩＴ社製）、「ケッチェンブラック」（Ｌｉｏｎ社製）、「バルカン」（Ｃａｂｏｔ社製）、「ブラックパールズ」（Ｃａｂｏｔ社製）、「アセチレンブラック」（電気化学工業社製）（いずれも商品名）等のカーボンブラック；Ｃ６０、Ｃ７０等のフラーレン；カーボンナノチューブ、マルチウォールカーボンナノチューブ、ダブルウォールカーボンナノチューブ、シングルウォールカーボンナノチューブ、カーボンナノホーン等のカーボン繊維、グラフェン、グラフェンオキシドが例示でき、カーボンブラックが好ましい。

前記導電性カーボンは、ポリピロール、ポリアニリン等の導電性高分子と組み合わせて用いてもよい。

前記結着材は、電極触媒、導電材等を互いに接着するものであり、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）、ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリフッ化ビニリデン−六フッ化プロピレン共重合体（ＰＶＤＦ−Ｈ）、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、スチレン・ブタジエンゴム（ＳＢＲ）、ポリアクリル酸（ＰＡＡ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリアクリルニトリル（ＰＡＮ）、ポリイミド（ＰＩ）、ナフィオン（登録商標）などが例示され、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリフッ化ビニリデン−六フッ化プロピレン共重合体（ＰＶＤＦ−Ｈ）、ナフィオン（登録商標）が好ましい。

前記金属錯体と、導電材との合計量に対する、前記金属錯体の配合量は、上限値としては、９０重量％が好ましく、５０重量％がより好ましく、３０重量％がさらに好ましく、２０重量％が特に好ましい。下限値としては、０．１重量％が好ましく、０．５重量％がより好ましく、１．０重量％がさらに好ましく、２．０重量％が特に好ましい。

前記結着材の配合量は、前記電極触媒１質量部に対して、上限値としては、３００質量部が好ましく、２００質量部がより好ましく、１５０質量部が特に好ましい。下限値としては、０．１質量部が好ましく、０．５質量部がより好ましい。

酸素還元用電極において、前記他の電極触媒、導電材および結着材等の各構成成分は、それぞれ一種を単独で用いてもよいし、二種以上を併用してもよい。

本発明の酸素還元用電極は、空気電池用電極、燃料電池用電極、酸素センサーなどの用途などに用いられ、特に空気電池用電極として、好適に用いられる。

次に、空気電池用電極について説明する。本発明の空気電池用電極は、前記酸素還元用電極を空気電池内に設置した電極を示す。

本発明の空気電池用電極は通常、正極に用いられる。正極は、正極触媒層と、正極集電体とを有する。正極触媒層としては、前述の、前記金属錯体と、導電材と、結着材とを含有する混合物が用いられる。

正極集電体は電流を電極触媒に供給する役割があり、その材質は、導電性であればよい。好ましい正極集電体としては、金属板、金属箔、金属メッシュ、金属焼結体、カーボンペーパー、カーボンクロスが例示できる。
前記金属メッシュおよび金属焼結体における金属としては、ニッケル、銅、クロム、鉄、チタン等の金属の単体；二種以上のこれら金属を含む合金が例示でき、ニッケル、銅、ステンレス（鉄−ニッケル−クロム合金）が好ましい。

正極は、前述の通り正極触媒層と、正極集電体とを有し、正極触媒層と正極集電体の間に、ガス拡散層をはさんでもよい。正極は、前記の電極触媒、導電材および結着材等を混合し、該混合物を正極集電体の上に配置した後、熱プレスすることで、正極集電体上に正極触媒層が形成されて、製造することができる。熱プレスの温度は、特に制限はないが、用いる結着材のガラス転移温度付近に設定することが好ましい。また、熱プレスの温度は、特に制限はなく、任意に設定することができる。また、必要に応じて、前記混合物を溶媒中に分散させた後、正極集電体の上に塗布後、乾燥することで製造することができる。溶媒としては、前記反応溶媒として例示した溶媒を用いることができる。

次に、空気電池について説明する。本発明の空気電池は、前記空気電池用電極を用いること以外は特に限定されないが、好ましくは正極に前記空気電池用電極を備え、さらに少なくとも負極と電解液とを備える。

前記負極は、マグネシウム、アルミニウム、亜鉛、リチウム、ナトリウム、鉄、カルシウム、水素吸蔵合金などを負極活物質として用いることができる。これらは単体であってもこれらを含む合金であってもよく、好ましくは合金であってもよいマグネシウム、合金であってもよい亜鉛であり、より好ましくはマグネシウム合金である。

マグネシウム合金はマグネシウムを主成分とする合金であり、例えば、マグネシウム−アルミニウム系合金、マグネシウム−アルミニウム−亜鉛系合金、マグネシウム−ジルコニウム系合金、マグネシウム−亜鉛−ジルコニウム系合金、マグネシウム−希土類元素系合金、並びに、前記合金に、数％のカルシウムを添加した難燃性マグネシウム合金、が例示される。

アルミニウム合金としては、マグネシウムの含有量が０．０００１〜８質量％であり、 下記（ａ）および（ｂ）の少なくとも一方を満たし、 （ａ）鉄の含有量が０．０００１〜０．０３質量％ 、（ｂ）ケイ素の含有量が０．０００１〜０．０２質量％ 、且つ、アルミニウム、マグネシウム、ケイ素および鉄以外の元素の含有量が、それぞれ０．００５質量％以下であると好ましい。前記アルミニウム合金における、アルミニウムおよびマグネシウム以外の元素の含有量の合計値が０．１質量％以下であることがより好ましい。

亜鉛合金としては、１ｐｐｍ〜３０００ｐｐｍのビスマス、好ましくは１００ｐｐｍ〜１０００ｐｐｍのビスマスとの合金を用いてもよい。また、１ｐｐｍ〜３０００ｐｐｍのインジウム、好ましくは１００〜１０００ｐｐｍのインジウム、あるいは１ｐｐｍ〜３０００ｐｐｍのインジウムと１ｐｐｍ〜３０００ｐｐｍのビスマス、好ましくは１００ｐｐｍ〜１０００ｐｐｍのインジウムと１００ｐｐｍ〜１０００ｐｐｍのビスマスとの亜鉛合金を用いてもよい。これら亜鉛合金を用いることで、亜鉛の水素過電圧を低減することができ、電池内におけるガス発生をより確実に防止できる。

水素吸蔵合金としては、ＬａＮｉ５で代表されるＡＢ５型水素吸蔵合金、ＺｎＭｎ２もしくはその置換体で代表されるＡＢ２型水素吸蔵合金、Ｍｇ２Ｎｉもしくはその置換体で代表されるマグネシウム系のＡ２Ｂ型水素吸蔵合金、固溶体型Ｖ基水素吸蔵合金などの水素を吸蔵・放出できる水素吸蔵合金などのいずれも用いることができる。

前記負極の形状は、特に制限するものではなく、板状、粒状、粉体状、ゲル状のいずれの形状で用いてもよい。

負極には、負極集電体として前記正極集電体同様に集電体を密着させてもよく、前記正極集電体と同様のものを用いることができる。

電解液は、電解質を溶媒に溶解した電解液を用いることができる。溶媒としては、イオンが電離し易いため水が好ましい。

上記電解質としては、塩化ナトリウム、塩化カリウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸水素カリウム、ギ酸ナトリウム、ギ酸カリウム、酢酸ナトリウム、酢酸カリウム、リン酸三カリウム、リン酸水素二カリウム、リン酸二水素カリウム、リン酸三ナトリウム、リン酸水素二ナトリウム、リン酸二水素ナトリウム、ホウ酸ナトリウム、硫酸カリウム、硫酸ナトリウムが例示される。より好ましくは、塩化ナトリウム、塩化カリウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸水素カリウム、さらに好ましくは塩化ナトリウム、塩化カリウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、である。なお、前記電解質は、無水物であっても水和物であってもよい。

前記電解質は、それぞれ一種を単独で用いてもよいし、二種以上を併用してもよい。

電解液中の電解質の濃度は、空気電池の使用環境により任意に設定することができるが、１〜９９質量％であることが好ましく、５〜６０質量％であることがより好ましく、５〜４０質量％であることがさらに好ましい。

電解液に、クエン酸塩、コハク酸塩、酒石酸塩などの多価カルボン酸塩を、加えてもよい。

また、電解液をポリアクリル酸などの吸水性ポリマーへ吸収させた、ゲル状電解質として用いてもよい。

図１は、本実施形態に係る空気電池の一実施形態を例示する概略断面図である。
ここに示す空気電池１は、前記金属錯体を含む正極触媒層１１、正極集電体１２、前記負極活物質を含む負極活物質層１３、負極集電体１４、電解液１５およびこれらを収容する容器（図示略）を備える。
正極集電体１２は正極触媒層１１に接触して配置され、これらにより正極が構成されている。また、負極集電体１４は負極活物質層１３に接触して配置され、これらにより負極が構成されている。また、正極集電体１２には正極端子（リード線）１２０が接続され、負極集電体１４には負極端子（リード線）１４０が接続されている。
正極触媒層１１および負極活物質層１３は、対向して配置され、これらの間にこれらに接触するように電解液１５が配置されている。
なお、本実施形態に係る空気電池は、ここに示すものに限定されず、必要に応じて一部構成が変更されていてもよい。

容器は、正極触媒層１１、正極集電体１２、負極活物質層１３、負極集電体１４および電解液１５を収容するものである。容器の材質としては、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ＡＢＳ樹脂等の樹脂や、前記正極触媒層１１等の収容物とは反応しない金属が例示できる。

空気電池１においては、別途、酸素拡散膜を設けてもよい。酸素拡散膜は、正極集電体１２の外側（正極触媒層１１の反対側）に設けることが好ましい。こうすることで、酸素拡散膜を介して正極触媒層１１に酸素（空気）が優先的に供給される。
前記酸素拡散膜は、酸素（空気）を好適に透過できる膜であればよく、樹脂製の不織布または多孔質膜が例示でき、前記樹脂としては、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン；ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン等のフッ素樹脂が例示できる。

空気電池１においては、正極と負極との接触による短絡を防止するために、これらの間にセパレータを設けてもよい。
セパレータは、電解液１５の移動が可能な絶縁材料からなるものであればよく、樹脂製の不織布または多孔質膜が例示でき、前記樹脂としては、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン；ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン等のフッ素樹脂が例示できる。また、電解液１５を水溶液として用いる場合には、前記樹脂として、親水性化されたものを用いることが好ましい。

空気電池の形状は、特に限定されないが、例えばコイン型、ボタン型、シート型、積層型、円筒型、扁平型、角型などがあげられる。

本実施形態の空気電池は、例えば、電気自動車用電源や家庭用電源など大型なものなどに有用であり、また、携帯電話または携帯用パソコン等のモバイル機器用小型電源としても有用である。

以下、実施例を示して本発明を説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

以下、ＮＭＲ測定にはＪＥＯＬ社製４００ＭＨｚＮＭＲスペクトロメーターＪＮＭ−ＥＣＺ４００Ｓ／Ｌ１を、ＤＡＲＴ−ＭＳ測定には日本電子製のＴｈｅ ＡｃｃｕＴＯＦ ＴＬＣ（ＪＭＳ−Ｔ１００ＴＤ）を用いた。

＜Ｃｏ−Ａ１の合成＞
Ａ１をＣｈｅｍ． Ｃｏｍｍｕｎ．，２００９，２５４４−２５４６に記載の方法で合成した。
Ａ１の重量１０ｍｇに対し、３当量の酢酸コバルト４水和物を含んだ３ｍＬのメタノールおよび３ｍＬのクロロホルムの混合溶液を混合し、６０℃に加熱しながら２時間攪拌した。得られた溶液を濃縮乾固させて、残渣へ水を加えて懸濁ろ過して、ろ過物よりＣｏ−Ａ１を得た。

＜Ｃｏ−Ａ４の合成＞
Ａ４をＪ． Ａｍ． Ｃｈｅｍ． Ｓｏｃ． ２０１１， １３３， １０７２０-１０７２３に記載の方法で合成し、続いてＣｏ−Ａ４をＣｈｅｍ．Ｅｕｒ．Ｊ．２０１２，１８，１４５９０-１４５９３に記載の方法で合成した。得られたＣｏ−Ａ４のＤＡＲＴ−ＭＳ測定の結果を下記に示す。

ＤＡＲＴ−ＭＳ（Ｍ／Ｚ）：ｆｏｕｎｄ；６８５．４．ｃａｌｃｄ；６８５．３（Ｍ＋Ｈ）⁺．

＜Ｃｏ−Ａ７の合成＞

アルゴン雰囲気下、２００ｍＬの３つ口ナス形フラスコに、4-tert-butylanisole １０．１ｇ（６１．２ｍｍｏｌ)と、脱水ジクロロメタン８５ｍＬとを加え、臭素７．４８ｍＬ（１５３ｍｍｏｌ）を１０分かけて滴下した。室温で１１時間撹拌した。
反応液にNa₂SO₃水溶液を加え、クロロホルム抽出にて水と飽和食塩水で洗い、硫酸ナトリウムで乾燥、ろ過、濃縮して無色液体の1,3-dibromo-5-tert-butyl-2-methoxybenzeneを１９．８ｇ（収率１００％)得た。

（以下式中、Ｂｏｃはｔｅｒｔ−ブトキシカルボニル基である）
アルゴン雰囲気下、２００ｍＬの３つ口ナス形フラスコに、1-tert-butoxycarbonyl-2-pyrrolilboronic acid １．８８ｇ（８．７２ｍｍｏｌ）、炭酸ナトリウム２．７７ｇ（２６．２ｍｍｏｌ）およびテトラキス（トリフェニルホスフィン）パラジウム(0) ５０４ｍｇ （０．４３６ｍｍｏｌ)を入れた。別のフラスコに、アルゴン雰囲気下で、1,3-dibromo-5-tert-butyl-2-methoxybenzene３．０１ｇ（８．７２ｍｍｏｌ）、1,4-dioxane ８０ｍＬおよび水５ｍＬを混合し、混合液を得た。該混合液を、先の3つ口ナス形フラスコに、室温で加え、内温６０℃で４時間撹拌後、１００℃で１時間撹拌し、反応液を得た。
反応液をろ過、濃縮し、展開溶媒ヘキサン：クロロホルム＝４：１でシリカゲルカラムクロマトグラフィーを行い、無色液体の化合物１を１．８０ｇ（収率４９．６％)得た。
¹H NMR (400 MHz, CDCl₃) δ7.48 (d, J = 2.8, 1H), 7.41-7.40 (m, 1H), 7.23 (d, J = 2.8, 1H), 6.25-6.20 (m, 2H), 3.40 (s, 3H), 1.30 (s, 9H), 1.26 (s, 9H); ¹³C NMR (100 MHz, CDCl₃) δ152.5, 149.6, 148.2, 129.9, 129.7, 129.4, 126.8, 122.5, 116.6, 114.3, 110.3, 83.6, 59.9, 34.6, 31.4, 27.4.

アルゴン雰囲気下、５０ｍＬの ２つ口ナス形フラスコに、化合物１を １．００ｇ（２．４６ｍｍｏｌ）およびプロピオン酸９ｇを加え、１００℃で４時間撹拌し、その後、室温に戻し、反応溶液を得た。反応溶液を開放系にし、ベンズアルデヒド１２９．５ｍｇ（１．２３ｍｍｏｌ）を、プロピオン酸１ｇに溶解した溶液を加え、５時間還流した。
室温に冷ました反応溶液を濃縮し、展開溶媒ヘキサン：クロロホルム＝３：１ (ｖ/ｖ) でシリカゲルカラムクロマトグラフィーを行い、橙色固体の化合物２を７９０ｍｇ(収率９１．８％) 得た。
¹H NMR (400 MHz, CDCl₃) δ9.41 (s, 2H), 7.51 (d, J = 2.0, 2H), 7.38-7.28 (m, 7H), 6.53 (t, J = 3.2, 2H), 6.07 (t, J = 3.2, 2H), 5.56 (s, 1H), 3.50 (s, 6H), 1.31 (s, 18H); ¹³C NMR (100 MHz, CDCl₃) δ149.5, 149.2, 142.0, 133.8, 129.0, 128.44, 128.37, 127.9, 127.4, 126.3, 117.8, 108.3, 107.5, 60.3, 44.6, 34.6, 31.3.

５０ｍＬの２つ口ナス形フラスコに、化合物２ ３３０ｍｇ（０．４７ｍｍｏｌ）を、ジクロロメタン５ｍＬに溶解した溶液に、2,3-dichloro-5,6-dicyano-p-benzoquinone (DDQ) 108 mg (0.47 mmol)を、ジクロロメタン１０ｍＬに溶解した溶液を、１０分かけて滴下した。その後、室温で１時間撹拌し、反応溶液を得た。
反応溶液にヘキサン３０ｍＬを加え、展開溶媒ヘキサン：クロロホルム＝１：１ (ｖ/ｖ) でシリカゲルカラムクロマトグラフィーを行い、赤色固体の化合物３を２６７ｍｇ(収率８１％)得た。
¹H NMR (400 MHz, CDCl₃) δ7.92 (d, J = 2.4, 2H), 7.57-7.54 (m, 4H), 7.49-7.44 (m, 3H), 6.93 (d, J = 4.4, 2H), 6.64 (d, J = 4.4, 2H), 3.76 (s, 6H), 1.37 (s, 18H); ¹³C NMR (100 MHz, CDCl₃) δ152.5, 152.2, 149.1, 141.7, 139.7, 137.7, 131.2, 131.0, 129.4, 128.8, 127.7, 127.6, 125.4, 118.6, 118.0, 61.2, 34.8, 31.5.

［実施例１］

アルゴン雰囲気下、３０ｍＬの３つ口丸底フラスコに、化合物３を ３０．０ｍｇ(０．４２８ ｍｍｏｌ)および脱水ジクロロメタン３ｍＬを加え、−２０℃で撹拌しながら三臭化ホウ素のジクロロメタン溶液１．０ｍｏｌ／Ｌを０．８５ｍＬ(０．８５ ｍｍｏｌ)を５分かけて滴下した。３０分後、冷浴を外し４時間撹拌し、反応溶液を得た。さらに、反応溶液を０℃にして、水１ｍＬを滴下した。
反応溶液にクロロホルムを加え、抽出にて飽和炭酸水素ナトリウム水溶液、水、飽和食塩水で洗い、硫酸ナトリウムで乾燥、ろ過、濃縮後、展開溶媒クロロホルムでシリカゲルカラムクロマトグラフィーを行い、赤色個体を１９．３ｍｇ得た。
得られた生成物に対し、３当量の酢酸コバルト４水和物を含んだ３ｍＬのメタノールおよび３ｍＬのクロロホルムの混合溶液を混合し、６０℃に加熱しながら２時間攪拌した。得られた溶液を濃縮乾固させて、残渣へ水を加えて懸濁ろ過して、ろ過物よりＣｏ−Ａ７を得た。得られたＣｏ−Ａ７のＤＡＲＴ−ＭＳ測定の結果を下記に示す。

ＤＡＲＴ−ＭＳ（Ｍ／Ｚ）：ｆｏｕｎｄ；７２９．１．ｃａｌｃｄ；７２９．０（Ｍ＋Ｈ）⁺．
＜Ａ９およびＣｏ２−Ａ９の合成＞

アルゴン雰囲気下、５０ｍＬの３つ口丸底フラスコに、化合物３を ２２０ ｍｇ(０．３１２ ｍｍｏｌ)、テトラキス（トリフェニルホスフィン）パラジウム(0) ５４．１ ｍｇ (０．４６８ ｍｍｏｌ)、脱水ＴＨＦ３ｍＬおよび2-pyridylznic bromideの０．５ｍｏｌ／Ｌ ＴＨＦ溶液１．８７ ｍＬ (０．９３７ ｍｍｏｌ)を加え、室温で２時間撹拌後、還流した。１３時間後、テトラキス（トリフェニルホスフィン）パラジウム(0) ２７．０ｍｇ (０．２３４ ｍｍｏｌ)、脱水ＴＨＦ２ｍＬおよび2-pyridylzinc bromideの０．５ｍｏｌ／Ｌ ＴＨＦ溶液０．９４ ｍＬ (０．４７ ｍｍｏｌ)を追加して、更に１２時間還流して、反応溶液を得た。
反応溶液を冷まし、飽和炭酸水素ナトリウム水溶液を加え、ろ過し、ろ液を濃縮してクロロホルム抽出により、水と飽和食塩水で洗浄し、硫酸ナトリウムで乾燥、ろ過、濃縮し、展開溶媒ヘキサン：クロロホルム＝３：１（ｖ／ｖ）でアルミナゲルカラムクロマトグラフィーを２回行い、赤色固体を２１７ｍｇ得た。
得られた赤色固体を真空乾燥し、ジクロロメタン２ｍＬに溶解した。これに、2,3-dichloro-5,6-dicyano-p-benzoquinone (DDQ) ８６．６ｍｇ（０．３４３ ｍｍｏｌ）を、ジクロロメタン７ｍＬに溶解した溶液を、開放系室温で撹拌しながら５分かけて滴下して、反応溶液を得た。
反応溶液を、展開溶媒クロロホルム：酢酸エチル＝４：１（ｖ／ｖ）でシリカゲルカラムクロマトグラフィーにかけて、青色固体を８５．６ｍｇ得た。この成分はＮＭＲシグナルがブロードであった。
得られた青色固体を、ジクロロメタン抽出にて、濃塩酸、希塩酸および飽和炭酸水素ナトリウム水溶液で洗い、硫酸ナトリウムで乾燥、ろ過、濃縮して赤色固体の−化合物４を５８．０ｍｇ （収率２６．５％） 得た。また、副生成物としてピリジル基１ヶ所反応物であるＯＭｅ−Ａ２４を３２．２ｍｇ（収率１４．７％）得た。

−化合物４のＮＭＲデータを以下に示す。
¹H NMR (400 MHz, CDCl₃) δ8.73-8.71 (m, 2H), 7.89 (d, J = 2.8, 2H), 7.79 (d, J = 8.0, 2H), 7.71 (td, J = 7.6, 2.0, 2H), 7.65 (d, J = 2.8, 2H), 7.59-7.57 (m, 2H), 7.48-7.45 (m, 3H), 7.25-7.22 (m, 2H), 6.93 (d, J = 4.4, 2H), 6.65 (d, J = 4.4, 2H), 3.48 (s, 6H), 1.31 (s, 18H); ¹³C NMR (100 MHz, CDCl₃) δ156.9, 153.9, 153.3, 149.6, 147.1, 141.5, 139.5, 138.1, 136.2, 134.1, 131.1, 129.2, 129.0, 128.7, 127.6, 127.0, 126.8, 124.9, 122.0, 118.8, 62.1, 34.6, 31.5.

ＯＭｅ−Ａ２４のＮＭＲデータを以下に示す。
¹H NMR (400 MHz, CDCl₃) δ8.74 (d, J = 4.4, 1H), 8.17 (d, J = 2.8, 1H), 7.84 (d, J = 7.6, 1H), 7.76-7.69 (m, 3H), 7.58-7.55 (m, 2H), 7.49-7.46 (m, 4H), 7.27-7.24 (m, 1H), 7.10 (d, J = 4.4, 1H), 6.76 (dd, J = 7.6, 4.4, 2H), 6.52 (d, J = 5.6, 1H), 3.78 (s, 3H), 3.47 (s, 3H), 1.44 (s, 9H), 1.29 (s, 9H); ¹³C NMR (100 MHz, CDCl₃) δ159.7, 157.0, 154.6, 151.9, 149.6, 148.7, 147.6, 145.7, 145.1, 139.3, 138.4, 137.9, 136.1, 134.1, 132.2, 131.0, 130.6, 129.8, 128.7, 127.7, 127.5, 127.4, 126.8, 126.0, 125.0, 124.8, 122.7, 122.0, 118.1, 114.8, 62.1, 60.9, 34.9, 34.6, 31.7, 31.3.

［実施例２］

アルゴン雰囲気下、３０ｍＬの３つ口丸底フラスコに、化合物４を ３０．０ｍｇ（０．４２８ ｍｍｏｌ）および脱水ジクロロメタン３ｍＬを加え、−２０ ℃で撹拌しながら三臭化ホウ素のジクロロメタン溶液１．０ｍｏｌ／Ｌを０．８６ｍＬ（０．８６ ｍｍｏｌ）５分かけて滴下した。３０分後、冷浴を外し５時間半撹拌した。反応溶液を０ ℃にして、水１ｍＬを滴下した。
反応溶液にクロロホルムを加え、抽出にて飽和炭酸水素ナトリウム水溶液、水および飽和食塩水で洗い、硫酸ナトリウムで乾燥、ろ過、濃縮後、展開溶媒クロロホルム：酢酸エチル＝４：１ （ｖ／ｖ）でシリカゲルカラムクロマトグラフィーを行い、紫色個体のA9を１７．４ ｍｇ （収率６０．６％） 得た。
¹H NMR (400 MHz, CDCl₃) δ8.20 (br, 2H), 8.07 (d, J = 8.0, 2H), 7.93 (d, J = 2.8, 2H), 7.85 (d, J = 2.8, 2H), 7.58-7.44 (m, 7H), 7.03-6.97 (m, 4H), 6.69 (br, 2H); ¹³C NMR (100 MHz, CDCl₃) δ157.0, 156.0, 147.2, 141.1, 139.4, 138.8, 136.6, 131.8, 129.8 (br), 128.9, 127.6, 126.4, 126.1, 122.3 (br), 122.1, 121.5, 119.0, 115.9 (br), 34.4, 31.7.

得られたＡ９のＤＡＲＴ−ＭＳ測定の結果を下記に示す。ＤＡＲＴ−ＭＳ（Ｍ／Ｚ）：ｆｏｕｎｄ；６７１．４．ｃａｌｃｄ；６７１．３（Ｍ＋Ｈ）⁺．

［実施例３］

アルゴン雰囲気下、３０ｍＬの３つ口丸底フラスコに、Ａ９重量８．９ ｍｇ （０．０１３ ｍｍｏｌ）を、クロロホルム３ ｍＬに溶解した溶液を入れ、室温で撹拌しながら酢酸コバルト(II)四水和物９．９ ｍｇ（０．０４０ｍｍｏｌ）を、メタノール３ｍＬに溶解した溶液を加えた。室温で１５分撹拌後、２時間還流した。
反応溶液を冷まし、濃縮し、水で懸濁ろ過をしてろ過物よりＣｏ２−Ａ９を得た。

得られたＣｏ２−Ａ９のＤＡＲＴ−ＭＳ測定の結果を下記に示す。ＤＡＲＴ−ＭＳ（Ｍ／Ｚ）：ｆｏｕｎｄ；８４５．３．ｃａｌｃｄ；８４５．２（Ｍ＋Ｈ）⁺．

＜電極評価＞
電極には、ディスク部がグラッシーカーボン（直径６．０ｍｍ）、リング部がＰｔ（リング内径７．３ｍｍ、リング外径９．３ｍｍ）とするリングディスク電極を用いた。表１に後述する検体（導電性カーボンに対して３質量％）と、導電性カーボン（ケッチェンブラックＥＣ６００ＪＤ、ライオン）との混合物１ｍｇが入ったサンプル瓶へ、ナフィオン（登録商標）溶液（アルドリッチ社製、５質量％ナフィオン（登録商標）溶液）１００μＬ、エタノール９００μＬを加えた後、サンプル瓶に超音波を１５分間照射した。得られた分散液７．２μＬを前記電極のディスク部に滴下して１時間風乾させた後、測定用電極を得た。

＜酸素還元活性の評価＞
この測定用電極を用いて、下記測定装置および測定条件において、酸素還元反応の電流値を測定した。電流値の測定は、窒素を飽和させた状態（窒素雰囲気下）、空気を飽和させた状態（空気雰囲気下）でそれぞれ行い、空気雰囲気下での測定で得られた電流値から、窒素雰囲気下での測定で得られた電流値を引いた値を酸素還元反応の電流値とした。この電流値を測定用電極の表面積で除すことにより、電流密度を求めた。結果を表１に示す。なお、電流密度は、銀／塩化銀電極に対して−０．１Ｖのときの値である。

（測定装置）
日厚計測社製ＲＲＤＥ−１回転リングディスク電極装置
ＡＬＳモデル７０１Ｃデュアル電気化学アナライザー
（測定条件）
セル溶液：１ｍｏｌ／Ｌ塩化ナトリウム
溶液温度：２５℃
参照電極：銀／塩化銀電極（飽和塩化カリウム）
カウンター電極：白金ワイヤー
掃引速度：１０ｍＶ／秒
リング電位：１．１２５Ｖ ｖｓ 銀／塩化銀電極（飽和塩化カリウム）
電極回転速度：１６００ｒｐｍ

［実施例４〜７]
検体として、Ｃｏ−Ａ１（実施例４）、Ｃｏ−Ａ４（実施例５）、Ｃｏ−Ａ７（実施例６）、Ｃｏ２−Ａ９（実施例７）をそれぞれ用いて評価を行った。

［比較例１〜２]
検体として、二酸化マンガン（比較例１）、Ｃｏフタロシアニン（比較例２、アルドリッチ社製、製品コード３０７６９６）、検体なし（比較例３）をそれぞれ用いて、実施例４〜７と同様に評価を行った。実施例４〜７の評価結果と合わせて表１に示す。

Ｃｏフタロシアニン

以上より、本発明の式（１）で表される芳香族化合物を配位子とする金属錯体を含有する酸素還元用電極は酸素還元活性が高い。したがって、本発明の式（１）で表される芳香族化合物を配位子とする金属錯体を用いることで酸素還元活性の高い空気電池用電極となる。更に、本発明の式（１）で表される芳香族化合物を配位子とする金属錯体を用いることで酸素還元活性の高い空気電池を製造することができる。
[実施例８]
＜空気電池の作製＞
（ガス拡散層用粉末の作製）
カーボンブラック（アセチレンブラック）、トライトン（キシダ化学）および水を1 : 1 : ３０ (重量比)の割合で混合し、これにＰＴＦＥ（ダイキン、Ｄ−２１０Ｃ）をカーボンブラックに対して６７重量％になるように添加し、ミルサーで５分間粉砕後、吸引ろ過し、１２０℃で１２時間乾燥させる。乾燥後これをミルサーで微粉化し、２８０℃、３時間空気中で熱処理を行う。ここで得られた粉末をミルサーで再度微粉化しガス拡散層用粉末を得る。

（触媒層用粉末の作製）
ビーカーに水１００ｍｌと１−ブタノール１ｍｌとを入れ、その中にカーボン（ケッチェンブラック６００ＥＣ）０．１８ｇ、Ｃｏ−Ａ１を０．０８ｇ加える。２時間攪拌後、ＰＴＦＥ（ダイキン、Ｄ−２１０Ｃ）０．１６ｇを少量ずつ加えてさらに１時間攪拌する。それを吸引ろ過し、１２０℃で乾燥してミルサーで粉砕し、触媒層粉末を得る。

（正極の作製）
ホットプレス用金型にアルミホイルをのせ、その上にニッケルメッシュ（ニコライ社製）をのせ、ガス拡散層電極用粉末を６０ｍｇ充填し、ガス拡散層用粉末の上に触媒層用粉末を６０ｍｇ充填する。まず、８０ｋｇｆ／ｃｍ^２の圧力で冷間プレス行った後、３５０℃に保ったホットプレスを用いて１０秒間プレスを行い、正極を得る。正極の反応面積は１．７６７ｃｍ^２である。

（空気電池）
前記正極、負極となるマグネシウム板（エレキット社製、マグネシウム燃料電池カーＪＳ−７９００）、負極の集電体として銅箔（アルドリッチ社製、製品コード３４２０８）を用いてマグネシウム空気電池を組み立てる。電解液として１ｍｏｌ／Ｌ塩化ナトリウム水溶液を注入し、充放電試験機（東洋システム社製、製品名：ＴＯＳＣＡＴ−３０００Ｕ）に接続し、発電試験を行うことで、空気電池の発電を確認することができる。

本発明の電極は、空気電池の電極として利用可能であり、また本発明は安定して発電可能な空気電池を提供することが出来る。

１…空気電池、１１…正極触媒層、１２…正極集電体、１２０…正極端子、１３…負極活物質層、１４…負極集電体、１４０…負極端子、１５…電解液

Claims (7)

1. 配位子と、金属とを有し、該配位子が、式（１）で表される芳香族化合物である金属錯体を含有する酸素還元用電極。
   

   

   （式（１）中、Ｑ^１、Ｒ^１、Ｒ^２およびＲ^３はそれぞれ独立に水素原子または一価の置換基である。複数のＱ^１、Ｒ^１、Ｒ^２およびＲ^３はそれぞれ同じでも異なっていてもよい。式（１）中、電荷の記載は省略してある。）
2. 前記Ｑ^１が、窒素含有複素環またはハロゲン原子である請求項１に記載の酸素還元用電極。
3. 前記金属が、コバルトおよび鉄からなる群から選ばれる１種以上の金属である請求項１または２に記載の酸素還元用電極。
4. 空気電池用電極である請求項１〜３のいずれかに記載の酸素還元用電極。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の酸素還元用電極を有する空気電池。
6. 式（２）で表される芳香族化合物。
   

   

   （式（２）中、Ｑ^２は窒素含有複素環またはハロゲン原子である。Ｒ^４、Ｒ^５およびＲ^６はそれぞれ独立に水素原子または一価の置換基である。複数のＱ^２、Ｒ^４、Ｒ^５およびＲ^６はそれぞれ同じでも異なっていてもよい。）
7. 配位子と、金属とを有し、該配位子が、式（３）で表される芳香族化合物である金属錯体。
   

   

   （式（３）中、Ｑ^３は窒素含有複素環またはハロゲン原子である。Ｒ^７、Ｒ^８およびＲ^９はそれぞれ独立に水素原子または一価の置換基である。複数のＱ^３、Ｒ^７、Ｒ^８およびＲ^９はそれぞれ同じでも異なっていてもよい。式（３）中、電荷の記載は省略してある。）

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