JP6857349B2 - 新規パリレン、架橋パリレン透水膜、及びこれらの製造方法 - Google Patents
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Description
また、本発明は、当該架橋パリレン透水膜を構成可能な新規なパリレンを提供することを目的とする。
さらに、本発明は、当該パリレンの原料となる新規なシクロファン化合物を提供することを目的とする。
また、本発明は、上記のパリレン、架橋パリレン透水膜、シクロファン化合物の製造方法を提供することを目的とする。
さらに、本発明は、当該架橋パリレン透水膜を使用して物質が溶解及び/又は分散した水から水を分離する方法を提供することを目的とする。
本発明の架橋パリレン透水膜の用途は限定されないが、好ましくは、水処理用のパリレン膜として使用することが出来る。例えば、物質が溶解及び/又は分散した水を、当該架橋パリレン透水膜、或は、その透水膜を有する複合膜に透過させて、水を分離することが可能となる。
これに対し、本発明のパリレンは架橋結合により三次元立体構造を有する架橋パリレンであり、架橋高分子である。
架橋構造を有する架橋パリレンは本発明者により初めて製造された新規なパリレンである。
以下では本発明の架橋構造を有するパリレンを「架橋パリレン」と称する場合がある。また、架橋構造を形成する構成単位を「架橋単位」と称することがある。すなわち、架橋単位とは架橋点を有するモノマー単位である。
架橋パリレンの架橋単位としては式(I)の架橋単位が好ましいが、他の架橋単位により架橋構造が形成されていてもよい。
また、式(I)の架橋単位及びその他の架橋単位により架橋構造が形成されていてもよい。すなわち、複数の架橋単位により架橋構造を形成することも可能である。
当該新規化合物は具体的に次の製造方法によって得られる。すなわち、式(VIII)の公知化合物の4-Bromo[2.2]paracyclophaneを、溶媒の乾燥テトラヒドロフラン(dry THF)に溶解させる。そこに、触媒として、Bypyridine、Ni(cod)2、1,5-Cyclooctadiene(COD)を添加し、加熱しながら混合撹拌を行い、4-Bromo[2.2]paracyclophaneのカップリング反応を行う。その結果、R1、R2が共に水素の場合の式(II)のシクロファン化合物が製造される。すなわち、式(IX)のシクロファン化合物が製造される。
式(II)のシクロファン化合物において、R1、R2が共に水素でないシクロファン化合物も、同様の方法にて製造される。なお、R1乃至R2がアルキル基の場合にはその炭素数は限定されないが炭素数1〜10の直鎖又は分枝のアルキル基が好ましい。
以下に上記製造方法の反応式を示す。
先ず、式(II)のシクロファン化合物をCVD法により熱分解するとラジカル中間体が生成する。当該ラジカル中間体は、式(I)の構成単位を形成する架橋性モノマーと、これ以外のモノマーである。これらが支持体の表面で表面重合してランダムに共重合する。その結果、架橋パリレンが支持体表面でパリレン膜として蒸着される。熱分解温度は500℃〜750℃が好ましく、さらに好ましくは550℃〜690℃である。
なお、式(II)のシクロファン化合物を熱分解すると、式(XII)のラジカル中間体(架橋性モノマー)の他に、同時に、式(X)及び式(XI)のラジカル中間体(モノマー)が生じる。そして、これらのラジカル中間体が、支持体表面で式(XII)のラジカル中間体(架橋性モノマー)とランダムに共重合する。その結果、式(I)、式(XIII)及び式(XIV)の構成単位を有する、架橋パリレンが支持体表面に架橋パリレン膜として製造される。
すなわち、式(II)のシクロファン化合物を熱分解して得られる架橋パリレンは、少なくとも式(I)の架橋単位を有し、さらに式(XIII)及び式(XIV)の構成単位を有する架橋パリレンである。
式(II)以外のシクロファン化合物も併用すれば、当該シクロファン化合物から生成するラジカル中間体(モノマー)に由来する構成単位をも有する、架橋パリレンが製造される。当該態様も本発明の架橋パリレンの製造方法の一態様である。
なお、式(II)のシクロファン化合物のみを原料としてCVD法により製造する場合は、式(I)及び式(XIII)及び式(XIV)の構成単位のモル比が1:1:1の架橋パリレンが得られる。
すなわち、架橋単位の原料となる式(II)の化合物と併用して、シアノ基を有する式(VI)及び/又は式(VII)のシクロファン化合物を原料として用いる。CVD法により、これらの原料を熱分解して生じるラジカル中間体のモノマーが、支持体表面でランダムに共重合して蒸着膜として製造される。
すなわち、式(II)のシクロファン化合物を熱分解すると、式(XII)のラジカル中間体(架橋性モノマー)の他に、同時に、式(X)及び式(XI)ラジカル中間体(モノマー)が生じる。
そして、これらのラジカル中間体が、支持体表面でランダムに共重合する。その結果、少なくとも、式(I)、式(XIII)及び式(XIV)の構成単位を有する、架橋パリレンが支持体表面に架橋パリレン膜として製造される。
勿論、式(II)、式(VI)及び/又は式(VII)のシクロファン化合物と一緒に、他の異なるシクロファン化合物を原料として併用しても良い。このような態様も本発明の製造方法に含まれる。この場合は、当該他の異なるシクロファン化合物からもラジカル中間体(モノマー)が生じるので、これに由来する構成単位も有する架橋パリレンが得られる。
この場合に製造される架橋パリレン並びに架橋パリレン透水膜は、式(III)、式(XVII)、式(XIII)、式(XIV)、式(I)の構成単位がランダムに結合した共重合体である。
架橋パリレン並びに架橋パリレン透水膜を形成する式(III)、式(XVII)、式(XIII)、式(XIV)、式(I)の構成単位のモル比はそれぞれ2:2:1:1:1となる。
すなわち、原料として供給されるそれぞれのシクロファン化合物のモル比によって、それぞれの構成単位のモル比が決定される。
原料として供給される式(VI)と式(II)の化合物のモル比は限定されないが、好ましいモル比は、式(VI)の化合物:式(II)の化合物=10:1〜2:1である。
その結果、架橋パリレン並びに架橋パリレン透水膜の、式(III)、式(XIII)、式(XIV)、式(I)の構成単位のモル比は4:1:1:1となる。
すなわち、原料として供給されるそれぞれのシクロファン化合物のモル比によって、それぞれの構成単位のモル比が決定される。
原料として供給される式(VII)と式(II)の化合物のモル比は限定されないが、好ましいモル比は、式(VII)の化合物:式(II)の化合物=10:1〜2:1である。
支持体はパリレンが蒸着可能な限り限定されない。例えば、平坦なガラス板やステンレス板、各種樹脂シート、不織布、多孔性膜などを挙げることが出来る。
これらの支持体はパリレン膜が蒸着しやすいように各種表面処理がなされていても好ましい。
このように、本発明においては、CVD法を用いることにより、ドライプロセスにて、任意の多孔性膜に、ナノろ過膜の機能を有する架橋パリレン透水膜を積層することができる。例えば、ドライプロセスによってUF膜へナノろ過膜の機能を付与することが可能となる。
例えば、架橋パリレン透水膜に、物質が溶解及び/又は分散した水を透過させて水を分離するために使用される。
物質が溶解した水とは水溶性化合物が溶解した水溶液であり、物質が分散した水とは、例えば汚泥などが分散した分散液のことである。これらの水溶液若しくは分散液は、パリレン透水膜の孔径よりも物質が大きい場合に水の分離が可能となる。すなわち、パリレン透水膜の孔径により各種物質が溶解及び/又は分散した水から、これらの物質を排除して水の分離が可能となる。
また、膜厚は10nm〜10μmであることが好ましい。当該孔径乃至膜厚により、架橋パリレン透水膜は、優れたナノろ過膜、すなわちナノフィルターとして機能する。
架橋パリレン透水膜の孔径及び膜厚は、熱分解温度などの製膜条件を適宜変えることにより種々の孔径及び膜厚に調整することが出来る。また、孔径は架橋パリレン透水膜を構成する架橋パリレンの官能基によっても調製することが可能である。
さらに、透水膜としての強度に優れ、耐久性に優れた透水膜でもある。したがって、本発明の架橋パリレン透水膜は、その他の材料からなる透水膜と比較して、実用化レベルで極めて有用な透水膜として機能する。
4-Bromo[2.2]paracyclophane (化合物1)の合成
4-Cyano[2.2]paracyclophane (化合物2)の合成
Pseudo-para-dibromo[2.2]paracyclophane (化合物3)の合成
Pseudo-para-dicyano[2.2]paracyclophane (化合物4)、Pseudo-ortho-dicyano[2.2]paracyclophane(化合物5)の合成
先ず、グローブボックス内にてBypyridine 1.20 g (7.38 mmol)とNi(cod)2 2.00 gをフラスコに加えた。
次に、ドラフト内、大気圧下で以下の操作を行った。このフラスコにdry THF 180mlとシクロオクタジエン1.01mlをシリンジで加えた。
次に、4-Bromo[2.2]paracyclophane 1.75 g(6.09 mmol)を乾燥THFに溶解させた溶液を、シリンジでフラスコに加えた。温度を60℃に設定し24時間反応させた。
24時間後、ろ過によりNi(cod)2を除去し、ろ液を減圧乾燥した。得られた固体をシリカゲルカラムクロマトグラフィー(ジクロロメタン:n−ヘキサン= 1:1)で目的物をカラム分離し、メタノールを用いて再結晶させた。さらに、昇華精製を行い、Bis-4,4'-[2.2]paracyclophaneを得た。
Yield 56.8%
1H-NMR(CDCl3,400.13MHz):δH=6.45-6.42(m, 12H,ArH), 6.35(dd, J=9.60Hz, 1H, ArH), 6.28(m, J=10.0Hz, 1H, ArH), 3.37-2.87(m, 13H, -CH2-), 2.80-2.68(m, 3H, -CH2-)
13C-NMR(CDCl3,400.13MHz): δ=140.4, 140.1, 139.9, 139.8, 139.6, 139.5, 139.0, 138.2, 136.7, 135.5, 134.1, 133.3, 133.2, 133.1, 132.9, 132.3, 132.8, 132.4, 132.2, 132.1, 130.9, 130.1, 77.8, 77.4, 77.1, 36.0, 35.9, 35.8, 35.8, 35.8, 35.0, 34.9. ESI-TOF-Ms: 414.2348.
限外ろ過膜(分画分子量 50kDa, メルクミルポア社製、限外ろ過用ディスクフィルター PBQK02510)をパリレンコーティング装置内のチャンバー内に静置した。日本パリレン社製パリレンコーティング装置内の気化部に合成例2で得られた4-Cyano[2.2]paracyclophane 150mgと実施例1で得られたBis-4,4'-[2.2]paracyclophane 75mgを入れ、減圧下で加熱し昇華させる。昇華した気体は650℃熱分解炉を通過する際に熱分解されモノマー状態になる。モノマーは蒸着チャンバー内に導かれ、チャンバー内に置かれた限外ろ過膜(支持膜)表面で重合し表面に薄膜を形成し、架橋パリレンからなる架橋パリレン透水膜を得た。膜厚は50nmであった。
これにより、CVD法によって、限外ろ過膜上に以下の構成単位を有する架橋パリレン透水膜が蒸着された複合膜を得た。なお、実施例2〜4及び比較例で使用した限外ろ過膜はその孔がポリエチレングリコールで充填されており、透水するとポリエチレングリコールが水に溶解する。
限外ろ過膜(分画分子量 50kDa, メルクミルポア社製、限外ろ過用ディスクフィルター PBQK02510)をパリレンコーティング装置内のチャンバー内に静置した。日本パリレン社製パリレンコーティング装置内の気化部に合成例4で得られたPseudo-para-dicyano[2.2]paracyclophaneとPseudo-ortho-dicyano[2.2]paracyclophaneの混合物 150mgと実施例1で得られたBis-4,4'-[2.2]paracyclophane 75mgを入れ、減圧下で加熱し昇華させる。昇華した気体は650℃熱分解炉を通過する際に熱分解されモノマー状態になる。モノマーは蒸着チャンバー内に導かれ、チャンバー内に置かれた限外ろ過膜(支持膜)表面で重合し表面に薄膜を形成し、架橋パリレンからなる架橋パリレン透水膜を得た。膜厚は48nmであった。
これにより、CVD法によって、限外ろ過膜上に、実施例2と同じ構成単位を有する架橋パリレン透水膜が蒸着された複合膜を得た。
得られた架橋パラレン透水膜の断面の走査型電子顕微鏡写真を図1に示す。
図1から、限外ろ過膜(UF膜)上に架橋パリレン膜からなる透水膜が蒸着した複合膜が製造出来ていることが分かる。限界ろ過膜は架橋パリレン透水膜の支持体である。
限外ろ過膜(分画分子量 50kDa, メルクミルポア社製、限外ろ過用ディスクフィルター PBQK02510)をパリレンコーティング装置内のチャンバー内に静置した。日本パリレン社製パリレンコーティング装置内の気化部に合成例4で得られたPseudo-para-dicyano[2.2]paracyclophaneとPseudo-ortho-dicyano[2.2]paracyclophaneの混合物 100mgと実施例1で得られたBis-4,4'-[2.2]paracyclophane 50mgを入れ、減圧下で加熱し昇華させる。昇華した気体は650℃熱分解炉を通過する際に熱分解されモノマー状態になる。モノマーは蒸着チャンバー内に導かれ、チャンバー内に置かれた限外ろ過膜(支持膜)表面で重合し表面に薄膜を形成し、架橋パリレンからなる架橋パリレン透水膜を得た。膜厚は25nmであった。
これにより、CVD法によって、限外ろ過膜上に、実施例2と同じ構成単位を有する架橋パリレン透水膜が蒸着された複合膜を得た。
限外ろ過膜(分画分子量 50kDa, メルクミルポア社製、限外ろ過用ディスクフィルター PBQK02510)をパリレンコーティング装置内のチャンバー内に静置した。日本パリレン社製パリレンコーティング装置内の気化部に合成例4で得られたPseudo-para-dicyano[2.2]paracyclophaneとPseudo-ortho-dicyano[2.2]paracyclophaneの混合物 200mgを入れ、減圧下で加熱し昇華させる。昇華した気体は650℃熱分解炉を通過する際に熱分解されモノマー状態になる。モノマーは蒸着チャンバー内に導かれ、チャンバー内に置かれた支持膜表面で重合し表面に薄膜を形成し、パリレン透水膜を得た。膜厚は50nmであった。
これにより、CVD法によって、限外ろ過膜上に、以下の構成単位を有するパリレン透水膜が蒸着された複合膜を得た。当該パリレン透水膜は、架橋単位が含まれておらず、架橋構造を有していない。
具体的には、室温(20℃)にて、染料(ローズベンガル)が溶解した水溶液(濃度:5μM)を原液とし、差圧0.4MPaにて、限外ろ過膜用デッドエンド装置(メルクミルポア社製、攪拌式セル8000シリーズ Model 8010、有効面積:25mm2)により、実施例2、実施例3、実施例4及び比較例の複合膜の透水量及び染料排除率の測定を行った。染料排除率は図3の吸収スペクトルの吸光度から求めた。
「表1」より、限外ろ過膜を支持体とする架橋パリレン透水膜の透水量は比較例に比べて極めて高いことが分かる。また、架橋パリレン透水膜の染料排除率も極めて高いことが分かる。
これらの吸収スペクトル変化から、透過後の水溶液(ろ液)内にはローズベンガルが含まれていないことと、架橋パリレン透水膜を透過しなかった染料が膜上部の水溶液(残液)内で濃縮されたことが理解される。
また、本発明の架橋パリレン透水膜は種々の用途に用いることができるが、実用化レベルの高い透水量を有するので、水処理の技術分野においてナノフィルターとしての利用価値が高い。
さらに、本発明のシクロファン化合物は種々の化合物、材料乃至製品の原料となり得る新規化合物である。本発明においては、架橋構造を有するパリレン及び架橋パリレン透水膜の原料として利用される。
Claims (11)
- 請求項2記載の架橋構造を有するパリレンから構成される架橋パリレン透水膜。
- 前記架橋パリレン透水膜の孔径が0.1〜10nmである請求項3記載の架橋パリレン透水膜。
- 前記架橋パリレン透水膜の膜厚が10nm〜10μmである請求項3又は4記載の架橋パリレン透水膜。
- 請求項3〜5の何れか1項に記載された架橋パリレン透水膜に、物質が溶解及び/又は分散した水を透過させて水を分離する水の分離方法。
- CVD法により、支持体の表面にパリレンを蒸着させることにより得られる、請求項1又は2記載の架橋構造を有するパリレンの製造方法。
- CVD法により、支持体の表面にパリレンを蒸着させることにより得られる、請求項3〜5の何れか1項に記載された架橋パリレン透水膜の製造方法。
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