JP2007031398A - Method for producing sulfonic acid group-containing aromatic dihalide - Google Patents
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Abstract
【課題】
本発明は、廃硫酸等の副生成物が少ないために環境に優しく、大量生産や製造コスト低減が可能なスルホン酸基含有芳香族ジハライドの製造方法を提供せんとするものである。さらには、高分子電解質型燃料電池としたときに高出力、高エネルギー密度、高耐久性を達成することができる高分子電解質材料として有用な芳香族ポリエーテル系重合体のモノマーとしてのスルホン酸基含有芳香族ジハライドの製造方法を提供せんとするものである。
【解決手段】
本発明のスルホン酸基含有芳香族ジハライドの製造方法は、本発明のスルホン酸基含有芳香族ジハライドの製造方法は、芳香族ジハライドを液状無水硫酸に接触させることにより、スルホン化反応を行うことを特徴とするものである。
【選択図】 なし
【Task】
The present invention is intended to provide a method for producing a sulfonic acid group-containing aromatic dihalide that is environmentally friendly because there are few by-products such as waste sulfuric acid and can be mass-produced and reduced in production costs. Furthermore, when a polymer electrolyte fuel cell is used, a sulfonic acid group as a monomer of an aromatic polyether polymer useful as a polymer electrolyte material that can achieve high output, high energy density, and high durability. It is intended to provide a method for producing a contained aromatic dihalide.
[Solution]
The method for producing a sulfonic acid group-containing aromatic dihalide according to the present invention is a method for producing a sulfonic acid group-containing aromatic dihalide according to the present invention, wherein the sulfonation reaction is carried out by bringing the aromatic dihalide into contact with liquid sulfuric anhydride. It is a feature.
[Selection figure] None
Description
本発明は、スルホン酸基含有芳香族ジハライドの製造方法、さらには高分子電解質材料として有用な芳香族ポリエーテル系重合体のモノマーとしてのスルホン酸基含有芳香族ジハライドの製造方法に関するものである。 The present invention relates to a method for producing a sulfonic acid group-containing aromatic dihalide, and further to a method for producing a sulfonic acid group-containing aromatic dihalide as a monomer of an aromatic polyether polymer useful as a polymer electrolyte material.
燃料電池は、排出物が少なく、かつ高エネルギー効率で環境への負担の低い発電装置である。このため、近年の地球環境保護への高まりの中で再び脚光を浴びている。従来の大規模発電施設に比べ、比較的小規模の分散型発電施設、自動車や船舶など移動体の発電装置として、将来的にも期待されている発電装置である。また、小型移動機器、携帯機器の電源としても注目されており、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池などの二次電池に替わり、携帯電話やパソコンなどへの搭載が期待されている。 A fuel cell is a power generation device with low emissions, high energy efficiency, and low environmental burden. For this reason, it is in the spotlight again in recent years to the protection of the global environment. Compared to conventional large-scale power generation facilities, this is a power generation device expected in the future as a relatively small-scale distributed power generation facility, and as a power generation device for mobile objects such as automobiles and ships. It is also attracting attention as a power source for small mobile devices and portable devices, and is expected to be installed in mobile phones and personal computers in place of secondary batteries such as nickel metal hydride batteries and lithium ion batteries.
これまで高分子電解質型燃料電池の電解質膜においては、例えばパーフルオロスルホン酸系ポリマーであるナフィオン(登録商標)(Nafion(登録商標))が用いられてきた。しかし、ナフィオン(登録商標)は多段階合成を経て製造されるパーフルオロ系ポリマーであるため非常に高価なものとなっており、かつ、クラスター構造を形成するために水と親和性の高いメタノールなどの燃料が電解質膜を透過しやすい、すなわち燃料クロスオーバーが大きいという課題があった。また、耐熱水性や耐熱メタノール性が不足するため、膨潤によって膜の機械強度が低下するという問題、さらに、使用後の廃棄処理の問題や材料のリサイクルが困難といった課題もあった。 So far, for example, Nafion (registered trademark), which is a perfluorosulfonic acid polymer, has been used in an electrolyte membrane of a polymer electrolyte fuel cell. However, Nafion (registered trademark) is a perfluoro polymer produced through multi-step synthesis, so it is very expensive, and methanol has a high affinity with water to form a cluster structure. However, there is a problem that the fuel easily permeates the electrolyte membrane, that is, the fuel crossover is large. In addition, since the hot water resistance and methanol resistance are insufficient, there is a problem that the mechanical strength of the film is reduced due to swelling, and further there are problems of disposal treatment after use and difficulty in recycling materials.
このような欠点を克服するために非パーフルオロ系の炭化水素系ポリマーをベースとした高分子電解質材料についても既にいくつかの取り組みがなされている。ポリマー骨格としては、耐熱性、化学的安定性の点から芳香族ポリエーテルケトンや芳香族ポリエーテルスルホンについて特に活発に検討がなされてきた。例えば、難溶性の芳香族ポリエーテルエーテルケトン(ビクトレックス(登録商標)PEEK(登録商標)(ビクトレックス社製)等が挙げられる)のスルホン化物(例えば、非特許文献1参照。)、芳香族ポリエーテルスルホンであるポリスルホン(以降、PSFと略称することがある。)(UDEL P−1700(アモコ社製)等があげられる)やポリエーテルスルホン(以降、PESと略称することがある。)(スミカエクセルPES(住友化学社製)等があげられる)のスルホン化物(例えば、非特許文献2)等が報告されたが、高温高湿下でポリマーが膨潤する問題を抱えており、特にメタノールなど燃料水溶液中やスルホン酸基密度が高くなる組成においてはその傾向が顕著であった。また、これらポリマーのスルホン化反応(高分子反応)により芳香環上にスルホン酸基を導入する方法ではポリマー中に導入するスルホン酸基の量および位置を精密に制御できないという問題点を有していた。 In order to overcome such drawbacks, some efforts have already been made on polymer electrolyte materials based on non-perfluoro hydrocarbon polymers. As the polymer skeleton, aromatic polyether ketone and aromatic polyether sulfone have been particularly actively studied from the viewpoint of heat resistance and chemical stability. For example, a sulfonated product (for example, refer to Non-Patent Document 1) of a poorly soluble aromatic polyetheretherketone (including Victrex (registered trademark) PEEK (registered trademark) (manufactured by Victrex)), and aromatic. Polysulfone which is polyethersulfone (hereinafter sometimes abbreviated as PSF) (including UDEL P-1700 (manufactured by Amoco)) and polyethersulfone (hereinafter sometimes abbreviated as PES) ( Sulfonated products (for example, Non-Patent Document 2), etc.) have been reported, such as Sumika Excel PES (manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd.). This tendency was remarkable in the fuel aqueous solution and in the composition having a high sulfonic acid group density. In addition, the method of introducing sulfonic acid groups onto the aromatic ring by sulfonation reaction (polymer reaction) of these polymers has a problem that the amount and position of the sulfonic acid groups introduced into the polymer cannot be precisely controlled. It was.
これを改善する方法としてスルホン酸基を導入したモノマーを用いた重合により得た、スルホン酸基量が制御されたスルホン化芳香族ポリエーテルの報告がなされている(例えば、特許文献1、非特許文献3参照)。しかしながら、ここにおいてはモノマーとして使用するスルホン酸基芳香族ジハライドを製造する際に、スルホン化剤として大過剰の発煙硫酸を使用しているため、廃硫酸および/または中和後の無機塩が多量に発生し、スルホン酸基含有芳香族ジハライドとの分離が困難といった問題があった。また、このように多量の副生成物が発生するような製造方法においては工業スケールで製造する際に、収率が低くなるだけでなく、精製工程が増えたり、副生成物、廃水、廃溶剤の廃棄コストがかさみ、得られるスルホン酸基芳香族ジハライドが高価になるといった問題があった。さらに、このような多量の廃棄物による環境への負荷の高さは、環境への負担の低いことを特長とする燃料電池に使用するモノマーの製造方法としては十分ではなかった。 As a method for improving this, a sulfonated aromatic polyether having a controlled amount of sulfonic acid group obtained by polymerization using a monomer having a sulfonic acid group introduced therein has been reported (for example, Patent Document 1, Non-Patent Document). Reference 3). However, since a large excess of fuming sulfuric acid is used as a sulfonating agent when producing a sulfonic acid group aromatic dihalide used as a monomer here, a large amount of waste sulfuric acid and / or neutralized inorganic salt is present. And thus difficult to separate from the sulfonic acid group-containing aromatic dihalide. In addition, in such a production method in which a large amount of by-products are generated, not only the yield is lowered when producing on an industrial scale, but also purification steps are increased, or by-products, waste water, waste solvents There is a problem that the disposal cost of the sulfonic acid group aromatic dihalide is high and the resulting sulfonic acid group aromatic dihalide is expensive. Further, the high environmental load due to such a large amount of waste is not sufficient as a method for producing a monomer for use in a fuel cell characterized by a low environmental burden.
また、無水硫酸を使用する公知のスルホン化技術として気体状無水硫酸を用いる方法がある(例えば、特許文献2参照)。これは、スルホン化可能な有機化合物を反応槽に仕込み、撹拌しながら無水硫酸含有ガスを吹き込み、スルホン化物を得るものである。しかし、大量にスルホン化物を製造するためには巨大な反応装置を必要とし、大量生産、製造コスト低減のためには適していない。また、液状化合物には無水硫酸含有ガス吹き込みによる反応が可能であっても、固体状化合物を均一に反応させることは困難であった。さらに、固体状化合物を均一に反応させるために、溶剤として無水硫酸に不活性な含塩素系溶剤を使用する方法も考えられるが、この場合にも含塩素系の廃溶剤が多量に発生するため環境に優しいとは言えない。 Further, as a known sulfonation technique using sulfuric anhydride, there is a method using gaseous sulfuric anhydride (see, for example, Patent Document 2). In this method, a sulfonated organic compound is charged into a reaction vessel, and a sulfuric acid-containing gas is blown into the reaction vessel with stirring to obtain a sulfonated product. However, in order to produce a sulfonated product in large quantities, a huge reaction apparatus is required, which is not suitable for mass production and reduction of production costs. Further, even if the liquid compound can be reacted by blowing an anhydrous sulfuric acid-containing gas, it is difficult to react the solid compound uniformly. Furthermore, in order to uniformly react the solid compound, a method of using a chlorine-containing solvent inert to sulfuric anhydride as a solvent may be considered, but in this case also a large amount of chlorine-containing waste solvent is generated. It's not environmentally friendly.
このようにこれまで知られるスルホン酸基含有芳香族ジハライドの製造方法はいずれも上述した環境性、反応の収率、経済性の全てを同時に満たすものではなく、大量生産や製造原価低減が可能なスルホン酸基含有芳香族ジハライドの製造方法の開発が待ち望まれていた。
本発明は、かかる従来技術の背景に鑑み、廃硫酸等の副生成物が少ないために環境に優しく、大量生産や製造コスト低減が可能なスルホン酸基含有芳香族ジハライドの製造方法を提供せんとするものである。該スルホン酸基含有芳香族ジハライドは高分子電解質材料として好適な芳香族ポリエーテル系重合体のモノマーとして有用である。 In view of the background of the prior art, the present invention provides a method for producing a sulfonic acid group-containing aromatic dihalide that is environmentally friendly because there are few by-products such as waste sulfuric acid and can be mass-produced and reduced in production cost. To do. The sulfonic acid group-containing aromatic dihalide is useful as a monomer of an aromatic polyether polymer suitable as a polymer electrolyte material.
本発明は、上記課題を解決するため次のような手段を採用するものである。すなわち、本発明のスルホン酸基含有芳香族ジハライドの製造方法は、芳香族ジハライドを液状無水硫酸に接触させることにより、スルホン化反応を行うことを特徴とするものである。 The present invention employs the following means in order to solve the above problems. That is, the method for producing a sulfonic acid group-containing aromatic dihalide of the present invention is characterized in that a sulfonation reaction is carried out by bringing an aromatic dihalide into contact with liquid sulfuric anhydride.
本発明によれば、廃硫酸等の副生成物が少ないために環境に優しく、大量生産や製造コスト低減が可能なスルホン酸基含有芳香族ジハライドの製造方法、さらには高分子電解質材料として有用な芳香族ポリエーテル系重合体のモノマーとしてのスルホン酸基含有芳香族ジハライドの製造方法を提供することができる。 According to the present invention, since there are few by-products such as waste sulfuric acid, it is environmentally friendly, and it is useful as a method for producing a sulfonic acid group-containing aromatic dihalide that can be mass-produced and reduced in production cost, and further useful as a polymer electrolyte material. A method for producing a sulfonic acid group-containing aromatic dihalide as a monomer of an aromatic polyether polymer can be provided.
以下、本発明について詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail.
本発明は、前記課題、つまり廃硫酸等の副生成物が少ない上に、大量生産や製造コスト低減が可能で、高分子電解質材料として有用な芳香族ポリエーテル系重合体のモノマーであるスルホン酸基含有芳香族ジハライドの製造方法について、鋭意検討し、芳香族ジハライドを液状無水硫酸という特定な液状化合物に接触させてみたところ、かかる課題を一挙に解決することを究明したものである。 The present invention provides a sulfonic acid that is a monomer of an aromatic polyether polymer that is useful as a polymer electrolyte material because the above-mentioned problem, that is, there are few by-products such as waste sulfuric acid and mass production and production cost can be reduced. As a result of diligent investigations on the production method of the group-containing aromatic dihalide and contacting the aromatic dihalide with a specific liquid compound called liquid anhydrous sulfuric acid, it has been found that such problems can be solved at once.
本発明のスルホン酸基含有芳香族ジハライドの製造方法は、従来の方法とは異なり、スルホン化剤として、液状無水硫酸という特定な薬剤を使用し、濃硫酸等の溶剤をほとんど使用しないために、廃硫酸および/または中和後の無機塩をほとんど発生させないでスルホン酸基含有芳香族ジハライドを製造することができるという特徴を有する。また、無水硫酸を液体状態という特定な形態で使用することにより、取り扱いおよび仕込み量の調節が容易で、従来の無水硫酸がガス状の場合と比較して、反応装置も簡素化でき、さらには固体状の有機化合物であっても均一に反応させることができるという飛躍的な効果を奏し得たものである。さらに、濃硫酸の使用量を大幅に減らすことができたことにより、副生成物との分離の際に、これまで低下していた収率を大幅に向上させ、環境性に優れる上に、大量生産や製造コスト低減を可能にし、大幅な企業的価値を有する製造方法を、初めて提供し得たものである。 Unlike the conventional method, the method for producing a sulfonic acid group-containing aromatic dihalide of the present invention uses a specific agent called liquid sulfuric anhydride as a sulfonating agent, and hardly uses a solvent such as concentrated sulfuric acid. It has a feature that a sulfonic acid group-containing aromatic dihalide can be produced with little generation of waste sulfuric acid and / or inorganic salt after neutralization. In addition, by using sulfuric acid in a specific form of liquid state, the handling and the amount of charge can be easily adjusted, and the reactor can be simplified as compared with the case where conventional sulfuric anhydride is in a gaseous state. Even if it is a solid organic compound, it has achieved a dramatic effect that it can be reacted uniformly. In addition, the amount of concentrated sulfuric acid used can be greatly reduced, which greatly improves the yield that has been reduced so far when separating from by-products. This is the first time that a manufacturing method that can reduce production and manufacturing costs and has significant corporate value can be provided.
本発明において、液状無水硫酸とは、液体状態の無水硫酸を意味する。通常、無水硫酸は、そのままでは重合してアスベスト状のα型またはβ型となり、固体化することが一般的であるが、本発明においては、少量の安定化剤を添加して、重合し難いように安定化したγ型無水硫酸を使用するのが好ましい。α型無水硫酸の融点が62℃以上、β型が33℃であるのに対して、かかるγ型無水硫酸は、融点が17℃と低いために、常温で液体として安定に使用することが可能である。なお、前記安定化剤の種類としては、無水硫酸の固化を防げるものであれば特に限定されるものではないが、好ましくはジメチル硫酸を使用することができる。このような液状無水硫酸としては、安定に液状であるものであれば、とくに限定されるものではないが、たとえば日曹金属社製の日曹サルファン(登録商標)を好適に使用することができる。 In the present invention, liquid sulfuric anhydride means anhydrous sulfuric acid in a liquid state. Usually, anhydrous sulfuric acid is polymerized as it is to form an asbestos α-type or β-type and is generally solidified. However, in the present invention, it is difficult to polymerize by adding a small amount of a stabilizer. It is preferable to use γ-type sulfuric anhydride stabilized as described above. While α-type sulfuric anhydride has a melting point of 62 ° C or higher and β-type has 33 ° C, γ-type sulfuric anhydride has a low melting point of 17 ° C, so it can be used stably as a liquid at room temperature. It is. The type of the stabilizer is not particularly limited as long as it can prevent solidification of sulfuric anhydride, and dimethyl sulfate can be preferably used. Such liquid anhydrous sulfuric acid is not particularly limited as long as it is stable and liquid, but for example, Nisso Sulfan (registered trademark) manufactured by Nisso Metal Co., Ltd. is preferably used. it can.
本発明において、使用する液状無水硫酸の使用量は、未反応の無水硫酸量を減らし、廃硫酸および/または中和後の無機塩の発生量を低減する点から、スルホン酸基含有芳香族ジハライドに導入されたスルホン酸基1モルに対して、該液状無水硫酸を0.9モル以上、1.3モル以下の範囲で接触させることが好ましい。液状無水硫酸の使用量が0.9モル未満であれば、原料または副生成物の量が多くなり、また、液状無水硫酸の使用量が1.3モルを超える場合は、廃硫酸および/または中和後の無機塩が多くなったり、副反応が起こったりして好ましくない。 In the present invention, the amount of liquid sulfuric anhydride used is reduced from the amount of unreacted sulfuric anhydride and the amount of generated sulfuric acid and / or inorganic salt after neutralization is reduced. It is preferable to contact the liquid sulfuric anhydride in an amount of 0.9 mol or more and 1.3 mol or less with respect to 1 mol of the sulfonic acid group introduced into the solution. If the amount of liquid sulfuric anhydride used is less than 0.9 mol, the amount of raw material or by-product increases, and if the amount of liquid sulfuric anhydride used exceeds 1.3 mol, waste sulfuric acid and / or The inorganic salt after neutralization increases and side reactions occur, which is not preferable.
本発明において、液状無水硫酸に接触させる工程のスルホン化反応を行う反応温度については、反応させる芳香族ジハライドの反応性を考慮し、適宜選択することが可能である。ただし、液状無水硫酸の安定性を考慮し、20℃以上150℃以下でスルホン化反応を行うことが好ましい。さらに、好ましくは30℃以上120℃以下である。 本発明において、濃硫酸を加えることが好ましい。濃硫酸を加えることにより、未反応の液状無水硫酸を発煙硫酸化し、反応性を低下させ、スルホン化反応後の引き抜きおよび後処理工程における安全性を向上させ、取り扱いが容易になる。また、濃硫酸を加えることにより反応溶液の流動性を確保し、引き抜き等の作業性を向上させることができる。該濃硫酸は、芳香族ジハライド1モルに対して、好ましくは1モル以下の低量に制御した使用量とするのがよく、より好ましくは0.3モル以下、最も好ましくは0.1モル以下であるのが、廃硫酸量および/または中和後の無機塩生成量、得られるスルホン酸基含有芳香族ジハライドの収率の点からよい。かかる濃硫酸の使用量が、該芳香族ジハライド1モルに対して、1モルを超える場合には、廃硫酸量および/または中和後の無機塩生成量が多く、廃棄コストがかさむだけでなく、スルホン酸基含有芳香族ジハライドの収率が低く、価格が高くなるので好ましくない。 In the present invention, the reaction temperature for carrying out the sulfonation reaction in the step of contacting with liquid sulfuric anhydride can be appropriately selected in consideration of the reactivity of the aromatic dihalide to be reacted. However, in consideration of the stability of liquid sulfuric anhydride, the sulfonation reaction is preferably performed at 20 ° C. or higher and 150 ° C. or lower. Furthermore, it is preferably 30 ° C. or higher and 120 ° C. or lower. In the present invention, it is preferable to add concentrated sulfuric acid. By adding concentrated sulfuric acid, the unreacted liquid sulfuric anhydride is converted to fuming sulfuric acid, the reactivity is lowered, the safety after the sulfonation reaction and the safety in the post-treatment process are improved, and the handling becomes easy. Further, by adding concentrated sulfuric acid, the fluidity of the reaction solution can be secured and workability such as drawing can be improved. The concentrated sulfuric acid is preferably used in a controlled amount of 1 mol or less, more preferably 0.3 mol or less, most preferably 0.1 mol or less with respect to 1 mol of the aromatic dihalide. From the viewpoint of the amount of waste sulfuric acid and / or the amount of inorganic salt produced after neutralization and the yield of the resulting sulfonic acid group-containing aromatic dihalide. When the amount of the concentrated sulfuric acid used exceeds 1 mol with respect to 1 mol of the aromatic dihalide, the amount of waste sulfuric acid and / or the amount of inorganic salt produced after neutralization is large, which not only increases the disposal cost. The sulfonic acid group-containing aromatic dihalide is not preferable because the yield is low and the price is high.
本発明において、かかる濃硫酸を加える場合は、液状無水硫酸に直接濃硫酸を加えると、液状無水硫酸が固化する可能性があるので、好ましくは該芳香族ジハライドを、液状無水硫酸に接触させた後、濃硫酸に加える手段を採用するのがよい。 In the present invention, when such concentrated sulfuric acid is added, liquid concentrated sulfuric acid may be solidified by adding concentrated sulfuric acid directly to liquid anhydrous sulfuric acid. Therefore, the aromatic dihalide is preferably brought into contact with liquid anhydrous sulfuric acid. Thereafter, a means for adding to concentrated sulfuric acid is preferably employed.
かかる濃硫酸の使用量としては、液状無水硫酸1モルに対して、好ましくは0.001モル以上、0.3モル以下の範囲内に制御した低量で加えるのがよい。 The amount of concentrated sulfuric acid used is preferably a low amount controlled within a range of 0.001 mol or more and 0.3 mol or less with respect to 1 mol of liquid sulfuric anhydride.
すなわち、濃硫酸が0.001モル未満である場合は、反応混合物が固化してしまったり、未反応の無水硫酸があるため、その後の工程で水分と接触した場合など、急激に発熱したりして危険であり好ましくない。また、濃硫酸が、0.3モルを越える場合は、廃硫酸および/または中和後の無機塩が増え、環境性および廃棄コストの点から好ましくない。反応の完全な進行および廃硫酸低減のバランス、ならびに反応系の固化防止の点から、かかる濃硫酸の使用量としては、液状無水硫酸1モルに対して0.01モル以上、0.1モル以下の範囲内であるのがより好ましい。 That is, when the concentrated sulfuric acid is less than 0.001 mol, the reaction mixture is solidified, or there is unreacted sulfuric anhydride, and when it comes in contact with moisture in the subsequent process, it generates heat rapidly. It is dangerous and undesirable. On the other hand, when the concentration of concentrated sulfuric acid exceeds 0.3 mol, the amount of waste sulfuric acid and / or inorganic salt after neutralization increases, which is not preferable from the viewpoint of environmental properties and disposal cost. From the standpoint of complete progress of the reaction and reduction of waste sulfuric acid, and prevention of solidification of the reaction system, the amount of concentrated sulfuric acid used is 0.01 mol or more and 0.1 mol or less with respect to 1 mol of liquid sulfuric anhydride. It is more preferable that it is within the range.
本発明において、かかる液状無水硫酸に接触させる工程や、これに加えて、濃硫酸を併用する工程により、該芳香族ジハライドのスルホン化反応を行った後に、アルカリ性化合物で中和する工程、ならびに、アルコール、水およびアルコール水溶液から選ばれた少なくとも一種で再結晶する工程を通して、さらに得られたスルホン酸基含有芳香族ジハライドを精製する方法を採用するのが好ましい。 In the present invention, the step of bringing into contact with the liquid sulfuric anhydride, and in addition to this, the step of neutralizing with an alkaline compound after the sulfonation reaction of the aromatic dihalide by the step of using concentrated sulfuric acid, and It is preferable to employ a method of further purifying the sulfonic acid group-containing aromatic dihalide obtained through the step of recrystallization with at least one selected from alcohol, water and aqueous alcohol.
かかるアルカリ性化合物としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化リチウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸リチウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸水素カリウム、炭酸水素リチウム等があげられるが、−SO3H基を中和し、−SO3Na基、−SO3K基、−SO3Liに変換できるものであれば、これらに限定されず使用することができる。かかるアルカリ性化合物は、反応混合物のpHをpH試験紙等でチェックしながらpHが7付近になるまで添加することが好ましい。 Such alkaline compounds include sodium hydroxide, potassium hydroxide, lithium hydroxide, sodium carbonate, potassium carbonate, lithium carbonate, sodium hydrogen carbonate, potassium hydrogen carbonate, lithium hydrogen carbonate, and the like, a -SO 3 H group Any material can be used as long as it can be neutralized and converted into —SO 3 Na group, —SO 3 K group, and —SO 3 Li. Such an alkaline compound is preferably added until the pH of the reaction mixture is around 7 while checking the pH of the reaction mixture with a pH test paper or the like.
また、前記再結晶する工程において使用する再結晶溶媒は、スルホン酸基含有芳香族ジハライドの溶解性を考慮して適宜選択することができる。スルホン酸基含有芳香族ジハライドおよび副生成した無機塩の溶解性ならびに結晶のできやすさの点で、アルコール、ならびに、水およびアルコールの混合水溶液から選ばれた少なくとも1種の溶媒が好ましく使用される。かかるアルコールの好適な具体例としては、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール等が挙げられるが、スルホン酸基含有芳香族ジハライドの溶解性および結晶性を考慮し、適宜選択して使用できる。 The recrystallization solvent used in the recrystallization step can be appropriately selected in consideration of the solubility of the sulfonic acid group-containing aromatic dihalide. In view of the solubility of the sulfonic acid group-containing aromatic dihalide and the by-product inorganic salt and the ease of crystallisation, alcohol and at least one solvent selected from water and a mixed aqueous solution of alcohol are preferably used. . Specific examples of such alcohols include methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, and the like, but can be appropriately selected and used in consideration of the solubility and crystallinity of the sulfonic acid group-containing aromatic dihalide. .
本発明によって得られるスルホン酸基含有芳香族ジハライドとしては、芳香環に結合したハロゲン原子2個、およびスルホン酸基を有する芳香族系化合物であればよく、ビスフェノールとの芳香族求核置換反応により重合が可能な芳香族ジハライドであることが好ましい。 The sulfonic acid group-containing aromatic dihalide obtained by the present invention may be an aromatic compound having two halogen atoms bonded to an aromatic ring and a sulfonic acid group, and by an aromatic nucleophilic substitution reaction with bisphenol. An aromatic dihalide capable of polymerization is preferred.
ここで、本発明においてスルホン酸基とは、下記一般式(f1)で表される基を意味する。ただし、かかるスルホン酸基は、前記官能基(f1)が塩を形成している場合を含むものとする。前記塩を形成するカチオンとしては、任意の金属カチオン、NR4 +(Rは任意の有機基)等を例として挙げることができる。かかる金属カチオンの場合、その価数等特に限定されることなく使用することができる。好ましい金属イオンの具体例を挙げるとすれば、Li、Na、K、Rh、Mg、Ca、Sr、Ti、Al、Fe、Pt、Rh、Ru、Ir、Pd等が挙げられる。中でも、高分子電解質膜としては、安価で、溶解性に悪影響を与えず、容易にプロトン置換可能なNa、Kがより好ましく使用される。これらのカチオンは、前記スルホン酸基含有芳香族ジハライド中に2種類以上含むことができ、組み合わせることにより好ましくなる場合がある。 Here, in the present invention, the sulfonic acid group means a group represented by the following general formula (f1). However, this sulfonic acid group includes the case where the functional group (f1) forms a salt. Examples of the cation forming the salt include an arbitrary metal cation, NR 4 + (R is an arbitrary organic group), and the like. In the case of such a metal cation, the valence can be used without any particular limitation. Specific examples of preferable metal ions include Li, Na, K, Rh, Mg, Ca, Sr, Ti, Al, Fe, Pt, Rh, Ru, Ir, and Pd. Among these, Na and K, which are inexpensive and do not adversely affect the solubility and can be easily proton-substituted, are more preferably used as the polymer electrolyte membrane. Two or more kinds of these cations can be contained in the sulfonic acid group-containing aromatic dihalide, and may be preferable by combining them.
スルホン酸基含有芳香族ジハライドとしては、なかでも重合活性および得られる高分子電解質材料の機械特性の点から、下記一般式(A1)で表される化合物および下記一般式(B1)で表される化合物がより好ましい。なかでも原料コストの点から、下記一般式(A1)で表される化合物がさらに好ましい。 The sulfonic acid group-containing aromatic dihalide is represented by the compound represented by the following general formula (A1) and the following general formula (B1) from the viewpoint of polymerization activity and mechanical properties of the obtained polymer electrolyte material. Compounds are more preferred. Among these, from the viewpoint of raw material cost, a compound represented by the following general formula (A1) is more preferable.
(式(A1)中、X1およびX2はハロゲン、Yは−CO−、−SO2−および−PORp−(Rpは任意の有機基)から選ばれた基、M1およびM2はH、金属カチオン、アンモニウムカチオンから選ばれた基、a1およびa2は0〜4の整数を表し、同時に0ではない。式(A1)で表される化合物はさらに任意に置換されていてもよい。) (In formula (A1), X 1 and X 2 are halogen, Y is a group selected from —CO—, —SO 2 — and —PORp— (Rp is an arbitrary organic group), M 1 and M 2 are H , A group selected from a metal cation and an ammonium cation, a1 and a2 each represent an integer of 0 to 4, and are not simultaneously 0. The compound represented by the formula (A1) may be further optionally substituted.)
(式(B1)中、X3およびX4はハロゲン、Rf1およびRf2は炭素数1〜12のパーフルオロアルキル基、Ar1は芳香環を有する2価の基、M3〜M5はH、金属カチオン、アンモニウムカチオンから選ばれた基、a3〜a5は同時に0ではない0〜4の整数を表す。式(B1)で表される化合物はさらに置換されていてもよい。)
前記式(A1)で表されるスルホン酸基含有芳香族ジハライドのより好適な具体例としては、3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジクロロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジクロロジフェニルケトン、3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロジフェニルケトン、3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジクロロジフェニルフェニルホスフィンオキシド、3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロジフェニルフェニルホスフィンオキシド、等を挙げることができる。なかでも該スルホン酸基含有芳香族ジハライドから得られる芳香族ポリエーテル系重合体の耐熱水性、耐熱メタノール性、燃料クロスオーバー抑制効果の点から、Yが−CO−、すわなち、3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジクロロジフェニルケトン、3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロジフェニルケトンがより好ましく、重合活性の点からYが−CO−、X1およびX2がF、すなわち3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロジフェニルケトンが最も好ましい。
(In Formula (B1), X 3 and X 4 are halogen, Rf 1 and Rf 2 are perfluoroalkyl groups having 1 to 12 carbon atoms, Ar 1 is a divalent group having an aromatic ring, and M 3 to M 5 are A group selected from H, a metal cation, and an ammonium cation, and a3 to a5 represent an integer of 0 to 4 that is not 0. The compound represented by the formula (B1) may be further substituted.
Specific examples of the sulfonic acid group-containing aromatic dihalide represented by the formula (A1) include 3,3′-disulfonate-4,4′-dichlorodiphenylsulfone, 3,3′-disulfonate— 4,4′-difluorodiphenyl sulfone, 3,3′-disulfonate-4,4′-dichlorodiphenyl ketone, 3,3′-disulfonate-4,4′-difluorodiphenyl ketone, 3,3′-disulfonate -4,4'-dichlorodiphenylphenylphosphine oxide, 3,3'-disulfonate-4,4'-difluorodiphenylphenylphosphine oxide, and the like. Among these, Y is —CO—, that is, 3, 3 from the viewpoint of the hot water resistance, hot methanol resistance, and fuel crossover suppression effect of the aromatic polyether polymer obtained from the sulfonic acid group-containing aromatic dihalide. '-Disulfonate-4,4'-dichlorodiphenyl ketone and 3,3'-disulfonate-4,4'-difluorodiphenyl ketone are more preferable, and Y is —CO—, X 1 and X 2 from the viewpoint of polymerization activity. Is most preferably F, ie 3,3′-disulfonate-4,4′-difluorodiphenyl ketone.
これらのスルホン酸基は重合の際には、スルホン酸基が1価カチオン種との塩になっていることが好ましい。1価カチオン種としては、ナトリウム、カリウムや他の金属種や各種アミン類等でも良く、これらに制限される訳ではない。これらスルホン酸基芳香族活性ジハライド化合物は、単独で使用することができるが、複数のスルホン酸基芳香族活性ジハライド化合物を併用することも可能である。 These sulfonic acid groups are preferably salted with a monovalent cationic species during polymerization. The monovalent cation species may be sodium, potassium, other metal species, various amines, or the like, but is not limited thereto. These sulfonic acid group aromatic active dihalide compounds can be used alone, but a plurality of sulfonic acid group aromatic active dihalide compounds can also be used in combination.
本発明によって得られるスルホン酸基含有芳香族ジハライドの用途は、たとえば各種モノマー、添加剤、界面活性剤等の化学品およびそれらの前駆体を挙げることができるが、これらに限定されるものではない。なかでも、モノマー用途が好ましく、芳香族ポリエーテル系重合体を製造するためのモノマーとしての用途がさらに好適である。 Examples of the use of the sulfonic acid group-containing aromatic dihalide obtained by the present invention include, but are not limited to, chemicals such as various monomers, additives, and surfactants, and precursors thereof. . Among these, a monomer use is preferable, and a use as a monomer for producing an aromatic polyether polymer is more preferable.
かかる芳香族ポリエーテル系重合体とは、主として芳香環から構成される重合体において、芳香環ユニットが連結する様式としてエーテル結合が含まれているものをいう。エーテル結合以外に、直接結合、ケトン、スルホン、スルフィド、各種アルキレン、イミド、アミド、エステル、ウレタン等、芳香族系ポリマーの形成に一般的に使用される結合様式が存在していても良い。エーテル結合は主構成成分の繰り返し単位あたり1個以上あることが好ましい。芳香環は炭化水素系芳香環だけでなく、ヘテロ環などを含んでいても良い。また、芳香環ユニットと共に一部脂肪族系ユニットがポリマーを構成していてもかまわない。芳香族ユニットは、アルキル基、アルコキシ基、芳香族基、アリーロキシ基等の炭化水素系基、ハロゲン基、ニトロ基、シアノ基、アミノ基、ハロゲン化アルキル基、カルボキシル基、ホスホン酸基、水酸基等、任意の置換基を有していても良い。 Such an aromatic polyether polymer refers to a polymer mainly composed of an aromatic ring and containing an ether bond as a mode in which the aromatic ring units are connected. In addition to the ether bond, there may be a bond mode generally used for forming an aromatic polymer such as a direct bond, ketone, sulfone, sulfide, various alkylenes, imides, amides, esters, and urethanes. The ether bond is preferably at least one per repeating unit of the main constituent component. The aromatic ring may include not only a hydrocarbon aromatic ring but also a hetero ring. Further, a part of the aliphatic units may constitute a polymer together with the aromatic ring unit. Aromatic units include hydrocarbon groups such as alkyl groups, alkoxy groups, aromatic groups, aryloxy groups, halogen groups, nitro groups, cyano groups, amino groups, halogenated alkyl groups, carboxyl groups, phosphonic acid groups, hydroxyl groups, etc. And may have an arbitrary substituent.
本発明によって得られるスルホン酸基含有芳香族ジハライドを用いた芳香族ポリエーテル系重合体の合成方法としては、例えばビスフェノール、スルホン酸基含有芳香族ジハライドおよび/またはスルホン酸基を含有しない芳香族ジハライドの芳香族求核置換反応を利用して合成することができる。 Examples of a method for synthesizing an aromatic polyether polymer using a sulfonic acid group-containing aromatic dihalide obtained by the present invention include bisphenol, a sulfonic acid group-containing aromatic dihalide and / or an aromatic dihalide not containing a sulfonic acid group. It can be synthesized using the aromatic nucleophilic substitution reaction.
また、本発明によって得られるスルホン酸基含有芳香族ジハライドとともに使用されるビスフェノールとしては、芳香族ジハライドとの芳香族求核置換反応により高分子量化が可能なものであれば、特に限定されるものではなく、2種以上のビスフェノールを併用することも可能である。また、これらの芳香族ジヒドロキシ化合物にイオン性基が導入されたものをモノマーとして用いることもできる。 Further, the bisphenol used together with the sulfonic acid group-containing aromatic dihalide obtained by the present invention is particularly limited as long as it can be increased in molecular weight by an aromatic nucleophilic substitution reaction with the aromatic dihalide. Instead, two or more bisphenols can be used in combination. Moreover, what introduce | transduced the ionic group into these aromatic dihydroxy compounds can also be used as a monomer.
また、ハロゲン化芳香族ヒドロキシ化合物も特に制限されることはなく使用することができ、具体例として4−ヒドロキシ−4’−クロロベンゾフェノン、4−ヒドロキシ−4’−フルオロベンゾフェノン、4−ヒドロキシ−4’−クロロジフェニルスルホン、4−ヒドロキシ−4’−フルオロジフェニルスルホン、4−(4’−ヒドロキシビフェニル)(4−クロロフェニル)スルホン、4−(4’−ヒドロキシビフェニル)(4−フルオロフェニル)スルホン、4−(4’−ヒドロキシビフェニル)(4−クロロフェニル)ケトン、4−(4’−ヒドロキシビフェニル)(4−フルオロフェニル)ケトン、等を例として挙げることができる。これらは、単独で使用することができるほか、2種以上の混合物として使用することもできる。さらに、活性化ジハロゲン化芳香族化合物と芳香族ジヒドロキシ化合物の反応において、これらのハロゲン化芳香族ヒドロキシ化合物を共に反応させて芳香族ポリエーテル系重合体を合成しても良い。 In addition, halogenated aromatic hydroxy compounds can also be used without particular limitation, and specific examples include 4-hydroxy-4′-chlorobenzophenone, 4-hydroxy-4′-fluorobenzophenone, 4-hydroxy-4. '-Chlorodiphenylsulfone, 4-hydroxy-4'-fluorodiphenylsulfone, 4- (4'-hydroxybiphenyl) (4-chlorophenyl) sulfone, 4- (4'-hydroxybiphenyl) (4-fluorophenyl) sulfone, Examples include 4- (4′-hydroxybiphenyl) (4-chlorophenyl) ketone, 4- (4′-hydroxybiphenyl) (4-fluorophenyl) ketone, and the like. These can be used alone or in a mixture of two or more. Furthermore, in the reaction of the activated dihalogenated aromatic compound and the aromatic dihydroxy compound, these halogenated aromatic hydroxy compounds may be reacted together to synthesize an aromatic polyether polymer.
本発明によって得られるスルホン酸基含有芳香族ジハライドを用いて行う芳香族求核置換反応による重合は、上記モノマー混合物を塩基性化合物の存在下で反応させることで重合体を得ることができる。重合反応は、0〜350℃の温度範囲で行うことができるが、50〜250℃の温度であることが好ましい。0℃より低い場合には、十分に反応が進まない傾向にあり、350℃より高い場合には、ポリマーの分解も起こり始める傾向がある。 In the polymerization by the aromatic nucleophilic substitution reaction performed using the sulfonic acid group-containing aromatic dihalide obtained by the present invention, a polymer can be obtained by reacting the monomer mixture in the presence of a basic compound. The polymerization reaction can be carried out in the temperature range of 0 to 350 ° C, but is preferably 50 to 250 ° C. When the temperature is lower than 0 ° C., the reaction does not proceed sufficiently, and when the temperature is higher than 350 ° C., the polymer tends to be decomposed.
かかる重合反応は、無溶媒下で行うこともできるが、溶媒中で行うことが好ましい。かかる溶媒としては、N−メチル−2−ピロリドン、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、ジフェニルスルホン、スルホラン、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノンなどを使用することができるが、これらに限定されることはなく、芳香族求核置換反応において安定な溶媒として使用することができるものであればよい。これらの有機溶媒は、単独でも2種以上の混合物として使用されても良い。 Such a polymerization reaction can be carried out in the absence of a solvent, but is preferably carried out in a solvent. As such a solvent, N-methyl-2-pyrrolidone, N, N-dimethylacetamide, N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, diphenyl sulfone, sulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone and the like are used. However, the present invention is not limited to these, and any material that can be used as a stable solvent in the aromatic nucleophilic substitution reaction may be used. These organic solvents may be used alone or as a mixture of two or more.
前記塩基性化合物としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸水素カリウム等があげられるが、芳香族ジオール類を活性なフェノキシド構造にしうるものであれば、これらに限定されず使用することができる。かかる塩基性化合物の存在下で反応させる芳香族求核置換反応においては、副生物として水が生成する場合がある。この際はトルエンなどを反応系に共存させて、共沸物として水を系外に除去することもできる。水を系外に除去する方法としては、モレキュラーシーブなどの吸水剤を使用することもできる。 Examples of the basic compound include sodium hydroxide, potassium hydroxide, sodium carbonate, potassium carbonate, sodium hydrogen carbonate, potassium hydrogen carbonate, and the like, as long as aromatic diols can be converted into an active phenoxide structure. It can use without being limited to these. In the aromatic nucleophilic substitution reaction to be reacted in the presence of such a basic compound, water may be generated as a by-product. In this case, toluene or the like can coexist in the reaction system, and water can be removed from the system as an azeotrope. As a method for removing water out of the system, a water-absorbing agent such as molecular sieve can also be used.
かかる芳香族求核置換反応を溶媒中で行う場合、得られるポリマー濃度として5〜50重量%となるように、モノマーを仕込むことが好ましい。かかるポリマー濃度が、5重量%よりも少ない場合は、重合度が上がりにくい傾向があり、一方、50重量%よりも多い場合には、反応系の粘性が高くなりすぎ、反応物の後処理が困難になる傾向がある。重合反応終了後は、反応溶液より蒸発によって溶媒を除去し、必要に応じて残留物を洗浄することによって、所望のポリマーが得られる。また、反応溶液を、ポリマーの溶解度が低い溶媒中に加えることによって、ポリマーを固体として沈殿させ、沈殿物の濾取によりポリマーを得ることもできる。 When this aromatic nucleophilic substitution reaction is carried out in a solvent, it is preferable to charge the monomer so that the resulting polymer concentration is 5 to 50% by weight. When the polymer concentration is less than 5% by weight, the degree of polymerization tends to be difficult to increase. On the other hand, when the polymer concentration is more than 50% by weight, the reaction system becomes too viscous and the reaction product is post-treated. Tend to be difficult. After completion of the polymerization reaction, the solvent is removed from the reaction solution by evaporation, and the residue is washed as necessary to obtain the desired polymer. In addition, the polymer can be obtained by precipitating the polymer as a solid by adding the reaction solution in a solvent having low polymer solubility, and collecting the precipitate by filtration.
本発明によって得られるスルホン酸基含有芳香族ジハライドを用いて得た芳香族ポリエーテル系重合体のGPC法による重量平均分子量は、好ましくは5万から100万、さらに好ましくは10万から60万である。かかる重量平均分子量が、5万未満では、電解質膜を長期間使用した場合に、クラックやピンホールが発生するなど機械特性が不十分な場合があり、一方、100万を越えると、溶解性が不十分となり、また溶液粘度が高すぎて加工性に劣る場合がある。 The weight average molecular weight of the aromatic polyether polymer obtained using the sulfonic acid group-containing aromatic dihalide obtained by the present invention is preferably 50,000 to 1,000,000, more preferably 100,000 to 600,000. is there. If the weight average molecular weight is less than 50,000, mechanical properties such as cracks and pinholes may be insufficient when the electrolyte membrane is used for a long period of time. In some cases, the solution viscosity is too high and the processability is poor.
本発明によって得られるスルホン酸基含有芳香族ジハライド、ならびに併用するビスフェノール、スルホン酸基を含有しない芳香族ジハライド等の原料モノマーの純度は、本発明の目的を損なわない程度に高純度であれば問題ないが、98%以上であることが好ましく、さらに好ましくは99%以上である。 If the purity of raw material monomers such as sulfonic acid group-containing aromatic dihalide obtained in accordance with the present invention, and bisphenol used in combination and aromatic dihalide not containing sulfonic acid group is high enough not to impair the purpose of the present invention, there is a problem. However, it is preferably 98% or more, more preferably 99% or more.
本発明によって得られるスルホン酸基含有芳香族ジハライドの純度を分析する方法は特に限定されないが、キャピラリー電気泳動(CE)およびイオンクロマトグラフ法(IC)の併用が好適である。CE分析では、主に有機化合物の純度および不純物の確認が可能であり、例えば、UV検出器、キャピラリーとしてヒューズドシリカを使用し、泳動液ホウ酸(pH9)、印加電圧ポジティブの条件で測定を行うことができる。また、IC分析では、主に無機化合物の純度および不純物の確認が可能であり、例えば、アニオンは溶離液KOHグラジエントで、カチオンは溶離液メタンスルホン酸で測定することが出来る。また、本発明によって得られるスルホン酸基含有芳香族ジハライドの化学構造を確認する方法としては、赤外吸収スペクトル(IR)、核磁気共鳴スペクトル(NMR)等が例示できる。 The method for analyzing the purity of the sulfonic acid group-containing aromatic dihalide obtained by the present invention is not particularly limited, but the combined use of capillary electrophoresis (CE) and ion chromatography (IC) is preferred. CE analysis can mainly check the purity and impurities of organic compounds. For example, using UV detector, fused silica as capillary, measurement under conditions of electrophoretic solution boric acid (pH 9) and positive applied voltage. It can be carried out. In IC analysis, the purity and impurities of inorganic compounds can be mainly confirmed. For example, an anion can be measured with an eluent KOH gradient and a cation can be measured with an eluent methanesulfonic acid. Examples of the method for confirming the chemical structure of the sulfonic acid group-containing aromatic dihalide obtained by the present invention include infrared absorption spectrum (IR) and nuclear magnetic resonance spectrum (NMR).
本発明によって得られるスルホン酸基含有芳香族ジハライドを用いて得た芳香族ポリエーテル系重合体は、種々の用途に適用可能である。例えば、体外循環カラム、人工皮膚などの医療用途、ろ過用用途、イオン交換樹脂用途、各種構造材用途、電気化学用途に適用可能である。中でも種々の電気化学用途により好ましく利用することができる。かかる電気化学用途としては、例えば、燃料電池、レドックスフロー電池、水電解装置、クロロアルカリ電解装置等が挙げられるが、中でも燃料電池が最も好ましい用途である。さらに燃料電池のなかでも高分子電解質型燃料電池用の高分子電解質材料に好適であり、これには水素を燃料とするものとメタノールなどの有機化合物を燃料とするものがあるが、炭素数1〜6の有機化合物およびこれらと水の混合物から選ばれた少なくとも1種を燃料とする直接型燃料電池に特に好ましく用いられる。かかる炭素数1〜6の有機化合物としては、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコールなどの炭素数1〜3のアルコール、ジメチルエーテルが好ましく、メタノールが最も好ましく使用される。 The aromatic polyether polymer obtained by using the sulfonic acid group-containing aromatic dihalide obtained by the present invention can be applied to various uses. For example, it can be applied to medical applications such as extracorporeal circulation columns and artificial skin, applications for filtration, ion exchange resin applications, various structural materials, and electrochemical applications. Among them, it can be preferably used for various electrochemical applications. Examples of the electrochemical application include a fuel cell, a redox flow battery, a water electrolysis device, a chloroalkali electrolysis device, etc. Among them, the fuel cell is the most preferable use. Furthermore, among fuel cells, it is suitable for a polymer electrolyte material for a polymer electrolyte fuel cell, and there are those using hydrogen as a fuel and those using an organic compound such as methanol as the fuel. It is particularly preferably used for a direct fuel cell using at least one selected from organic compounds of -6 and a mixture of these with water as fuel. As this C1-C6 organic compound, C1-C3 alcohols, such as methanol, ethanol, and isopropyl alcohol, and dimethyl ether are preferable, and methanol is used most preferably.
本発明によって得られるスルホン酸基含有芳香族ジハライドを用いて得た芳香族ポリエーテル系重合体を燃料電池用として使用する際には、通常膜の状態で使用される。しかしながら、本発明の高分子電解質材料は、膜状などの形状に限定されるものではなく、その形状としては、前述の膜状の他、板状、繊維状、中空糸状、粒子状、塊状など、使用用途によって様々な形態をとりうる。 When the aromatic polyether polymer obtained by using the sulfonic acid group-containing aromatic dihalide obtained by the present invention is used for a fuel cell, it is usually used in a membrane state. However, the polymer electrolyte material of the present invention is not limited to a shape such as a membrane shape, and the shape may be a plate shape, a fiber shape, a hollow fiber shape, a particle shape, a lump shape, etc. in addition to the above-described film shape. Depending on the intended use, it can take various forms.
本発明の高分子電解質材料を膜状に成型する方法に特に制限はないが、溶液状態より製膜する方法あるいは溶融状態より製膜する方法等が採用される。 The method for forming the polymer electrolyte material of the present invention into a film is not particularly limited, but a method of forming a film from a solution state, a method of forming a film from a molten state, or the like is employed.
前者では、たとえば、該高分子電解質材料をN,N−ジメチルアセトアミド等の溶媒に溶解し、その溶液をガラス板等の上に流延塗布し、溶媒を除去することにより製膜する方法が例示できる。かかる製膜に用いる溶媒としては、芳香族ポリエーテル系重合体を溶解し、その後に除去し得るものであればよく、例えば、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、N−メチル−2−ピロリドン、ジメチルスルホキシド、スルホラン、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン、ヘキサメチルホスホントリアミド等の非プロトン性極性溶媒、γ−ブチロラクトン、酢酸ブチルなどのエステル系溶媒、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネートなどのカーボネート系溶媒、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル等のアルキレングリコールモノアルキルエーテル、あるいはイソプロパノールなどのアルコール系溶媒、水およびこれらの混合物が好適に用いられるが、非プロトン性極性溶媒が最も溶解性が高く好ましく使用される。 In the former, for example, a method of forming a film by dissolving the polymer electrolyte material in a solvent such as N, N-dimethylacetamide, casting the solution on a glass plate or the like, and removing the solvent is exemplified. it can. The solvent used for the film formation is not particularly limited as long as it dissolves the aromatic polyether polymer and can be removed thereafter. For example, N, N-dimethylacetamide, N, N-dimethylformamide, N-methyl Aprotic polar solvents such as 2-pyrrolidone, dimethyl sulfoxide, sulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, hexamethylphosphontriamide, ester solvents such as γ-butyrolactone, butyl acetate, ethylene carbonate, propylene Carbonate solvents such as carbonate, alkylene glycol monoalkyl ethers such as ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol monoethyl ether, propylene glycol monomethyl ether, propylene glycol monoethyl ether, or isoprene Alcohol solvents such as propanol, water and mixtures thereof is preferably used, most soluble aprotic polar solvent is high are preferably used.
本発明によって得られるスルホン酸基含有芳香族ジハライドを用いて得た芳香族ポリエーテル系重合体からなる高分子電解質膜は、さらに必要に応じて放射線照射などの手段によって高分子構造を架橋せしめることもできる。かかる高分子電解質膜を架橋せしめることにより、燃料クロスオーバーおよび燃料に対する膨潤をさらに抑制する効果が期待でき、機械的強度が向上し、より好ましくなる場合がある。かかる放射線照射の種類としては、例えば、電子線照射やγ線照射を採用することができる。 The polymer electrolyte membrane made of an aromatic polyether polymer obtained by using the sulfonic acid group-containing aromatic dihalide obtained by the present invention may further crosslink the polymer structure by means such as radiation irradiation as necessary. You can also. By crosslinking such a polymer electrolyte membrane, an effect of further suppressing fuel crossover and swelling with respect to the fuel can be expected, and the mechanical strength may be improved, which may be more preferable. As the type of radiation irradiation, for example, electron beam irradiation or γ-ray irradiation can be employed.
本発明によって得られるスルホン酸基含有芳香族ジハライドを用いて得た芳香族ポリエーテル系重合体からなる高分子電解質膜の膜厚としては、好ましくは1〜2000μmのものが好適に使用される。実用に耐える膜の強度を得るには1μmより厚い方がより好ましく、膜抵抗の低減つまり発電性能の向上のためには2000μmより薄い方が好ましい。かかる膜厚のさらに好ましい範囲は3〜500μm、特に好ましい範囲は5〜250μmである。かかる膜厚は、溶液濃度あるいは基板上への塗布厚により制御することができる。 As the film thickness of the polymer electrolyte membrane made of an aromatic polyether polymer obtained by using the sulfonic acid group-containing aromatic dihalide obtained by the present invention, a film having a thickness of 1 to 2000 μm is preferably used. A thickness of more than 1 μm is more preferable for obtaining the strength of a film that can withstand practical use, and a thickness of less than 2000 μm is preferable for reducing the film resistance, that is, improving the power generation performance. A more preferable range of the film thickness is 3 to 500 μm, and a particularly preferable range is 5 to 250 μm. The film thickness can be controlled by the solution concentration or the coating thickness on the substrate.
また、本発明によって得られるスルホン酸基含有芳香族ジハライドを用いて得た芳香族ポリエーテル系重合体からなる高分子電解質膜には、通常の高分子化合物に使用される可塑剤、安定剤あるいは離型剤等の添加剤を、本発明の目的に反しない範囲内で添加することができる。 In addition, a polymer electrolyte membrane comprising an aromatic polyether polymer obtained by using the sulfonic acid group-containing aromatic dihalide obtained by the present invention has a plasticizer, a stabilizer or an ordinary polymer compound. Additives such as mold release agents can be added within a range that does not contradict the purpose of the present invention.
また、本発明によって得られるスルホン酸基含有芳香族ジハライドを用いて得た芳香族ポリエーテル系重合体からなる高分子電解質膜には、前述の諸特性に悪影響をおよぼさない範囲内で、機械的強度、熱安定性、加工性などの向上を目的に、各種ポリマー、エラストマー、フィラー、微粒子、各種添加剤などを含有させてもよい。 In addition, the polymer electrolyte membrane composed of an aromatic polyether polymer obtained by using the sulfonic acid group-containing aromatic dihalide obtained by the present invention is within a range that does not adversely affect the above-mentioned properties. Various polymers, elastomers, fillers, fine particles, various additives, and the like may be included for the purpose of improving mechanical strength, thermal stability, processability, and the like.
さらに、本発明によって得られるスルホン酸基含有芳香族ジハライドを用いて得た芳香族ポリエーテル系重合体を使用した高分子電解質型燃料電池の用途としては、特に限定されないが、移動体の電力供給源が好ましいものである。特に、携帯電話、パソコン、PDA、テレビ、ラジオ、ミュージックプレーヤー、デジタルカメラ、ビデオカメラ、ゲーム機、ヘッドセット、DVDプレーヤーなどの携帯機器、産業用人型、動物型などの各種ロボット、掃除機等の家電、乗用車、バス、トラックなどの自動車や船舶、鉄道などの移動体の電力供給源として好ましく用いられる。 Furthermore, the application of the polymer electrolyte fuel cell using the aromatic polyether polymer obtained by using the sulfonic acid group-containing aromatic dihalide obtained by the present invention is not particularly limited, but the power supply of the mobile body A source is preferred. In particular, mobile devices such as mobile phones, personal computers, PDAs, televisions, radios, music players, digital cameras, video cameras, game machines, headsets, DVD players, various robots such as industrial humanoids and animal types, vacuum cleaners, etc. It is preferably used as a power supply source for automobiles such as home appliances, passenger cars, buses, trucks, and mobiles such as ships and railways.
以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。なお、各物性の測定条件は次の通りである。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention further in detail, this invention is not limited to these. In addition, the measurement conditions of each physical property are as follows.
(1)スルホン酸基含有ジハライドの純度分析
下記の測定条件で、スルホン酸基含有ジハライドの純度分析をキャピラリー電気泳動(CE)およびイオンクロマトグラフ法(IC)により測定し、純度を算出した。試料は純水で希釈して調製した。
(1) Purity analysis of sulfonic acid group-containing dihalide Purity analysis of sulfonic acid group-containing dihalide was measured by capillary electrophoresis (CE) and ion chromatography (IC) under the following measurement conditions, and the purity was calculated. The sample was prepared by diluting with pure water.
CE分析はキャピラリーとしてヒューズドシリカを使用し、泳動液ホウ酸(pH9)、印加電圧ポジティブ(20kV)、UV検出器(195nm)の条件で測定を行い、純度は検出ピークの面積百分率(%)で算出した。 CE analysis uses fused silica as a capillary, and the measurement is performed under conditions of electrophoretic boric acid (pH 9), applied voltage positive (20 kV), UV detector (195 nm), and the purity is the percentage of the area of the detected peak (%). Calculated with
また、IC分析はDIONEX製DX−500を用い、アニオンはカラムがIon Pac AG11HC + Ion Pac AS11HC、溶離液がKOH1〜35mMグラジエント、検出器が電気伝導度の条件で、カチオンはカラムがIon Pac CG14 + Ion Pac CS14、溶離液が10mMメタンスルホン酸溶液、検出器が電気伝導度の条件で測定し、純度は重量%で算出した。 In addition, IC analysis uses DX-500 made by DIONEX, the anion is Ion Pac AG11HC + Ion Pac AS11HC, the eluent is KOH 1 to 35 mM gradient, the detector is electric conductivity, the cation is Ion Pac CG14 + Ion Pac CS14, eluent was 10 mM methanesulfonic acid solution, detector was measured under the conditions of electric conductivity, and purity was calculated by weight%.
(2)核磁気共鳴スペクトル(NMR)
下記の測定条件で、NMRの測定を行い、スルホン酸基含有ジハライドの構造確認を行った。
(2) Nuclear magnetic resonance spectrum (NMR)
NMR measurement was performed under the following measurement conditions, and the structure of the sulfonic acid group-containing dihalide was confirmed.
装置 :EX−270
共鳴周波数 :270MHz(1H−NMR)
測定温度 :室温
溶解溶媒 :DMSO−d6
内部基準物質:TMS(0ppm)
積算回数 :16回
実施例1
スルホン化剤として、液状無水硫酸を用いて、下記式(G1)で表されるジソジウム 3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロベンゾフェノンを合成した。
Device: EX-270
Resonance frequency: 270 MHz ( 1 H-NMR)
Measurement temperature: room temperature Dissolving solvent: DMSO-d6
Internal reference material: TMS (0 ppm)
Integration count: 16 times Example 1
As a sulfonating agent, disodium 3,3′-disulfonate-4,4′-difluorobenzophenone represented by the following formula (G1) was synthesized using liquid sulfuric anhydride.
パイレックス(登録商標)ガラス製攪拌羽根、還流コンデンサー、200mL滴下ロートを備えた3L縦型セパラブルフラスコを窒素置換し、それに4,4’−ジフルオロベンゾフェノン(アルドリッチ社試薬、純度99.9%)500.2g(2.290モル)を仕込み、緩やかに攪拌しながら、液状無水硫酸(日曹金属社製、商品名‘日曹サルファン’)371.5g(4.644モル、導入するスルホン酸基1モルに対して1.014モル)を100分かけて滴下し、滴下終了後、120℃で24h反応させた。褐色粘調液体であった。その後、濃硫酸を11.9g(0.121モル、芳香族ジハライドである4,4’−ジフルオロベンゾフェノン1モルに対して0.053モル)、続いて水を395mL、NaOH水溶液(207.5g(5.188モル)のNaOHと1264mLの水の混合物)を添加して中和した。スラリー状で取り扱いは容易であった。 A 3 L vertical separable flask equipped with a Pyrex (registered trademark) glass stirring blade, reflux condenser and 200 mL dropping funnel was purged with nitrogen, and 4,4′-difluorobenzophenone (Aldrich reagent, purity 99.9%) 500 .2 g (2.290 mol) was charged, and while gently stirring, 371.5 g (4.644 mol, sulfonic acid group to be introduced) of liquid sulfuric anhydride (manufactured by Nisso Metal Co., Ltd., trade name “Nisso Sulfan”) 1.014 mol per 1 mol) was added dropwise over 100 minutes, and after completion of the addition, the reaction was carried out at 120 ° C. for 24 hours. It was a brown viscous liquid. Thereafter, 11.9 g of concentrated sulfuric acid (0.121 mol, 0.053 mol based on 1 mol of 4,4′-difluorobenzophenone which is an aromatic dihalide), followed by 395 mL of water and an aqueous NaOH solution (207.5 g ( 5.188 mol) of NaOH and 1264 mL of water) was added to neutralize. The slurry was easy to handle.
次に、得られたスラリーを洗浄用の水273mLとともに10Lフラスコに移し、エタノール3864mL(合計でエタノール/水=2/1)を添加し、84℃で加熱溶解した。次に、熱時濾過後、4℃で1日間静地し、濾過、エタノールで洗浄を行い、120℃で真空乾燥して、上記式(G1)で示されるジソジウム 3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロベンゾフェノン918.5gを得た(収率95%)。得られた化合物の純度は、CEおよびICから98.5%であった。不純物としては、ICからNa2SO4の0.13%、CEから有機不純物の1.4%が認められた。また、構造は1H−NMRスペクトルにより確認した。 Next, the obtained slurry was transferred to a 10 L flask together with 273 mL of washing water, ethanol 3864 mL (total ethanol / water = 2/1) was added, and the mixture was dissolved by heating at 84 ° C. Next, after hot filtration, the mixture is left still at 4 ° C. for 1 day, filtered, washed with ethanol, vacuum dried at 120 ° C., and disodium 3,3′-disulfonate represented by the above formula (G1). 918.5 g of 4,4′-difluorobenzophenone was obtained (yield 95%). The purity of the obtained compound was 98.5% from CE and IC. As impurities, 0.13% of Na 2 SO 4 from IC and 1.4% of organic impurities from CE were observed. The structure was confirmed by 1 H-NMR spectrum.
収率が高く、廃硫酸や副生成物の無機塩がほとんど発生しないため環境に優しく、廃棄コストが安く、大量合成や製造コスト低減に適していた。 Yield is high and waste sulfuric acid and by-product inorganic salts are hardly generated, so it is environmentally friendly, the disposal cost is low, and it is suitable for mass synthesis and production cost reduction.
実施例2
濃硫酸の添加量を44.9g(0.458モル、芳香族ジハライドである4,4’−ジフルオロベンゾフェノン1モルに対して0.2モル)に変更した以外は、実施例1に記載の方法と同様に上記式(G1)で示されるジソジウム 3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロベンゾフェノンの合成を行った。収率は92%であった。収率が高く、廃硫酸や副生成物の無機塩がほとんど発生しないため環境に優しく、廃棄コストが安く、大量合成や製造コスト低減に適していた。
Example 2
The method described in Example 1 except that the addition amount of concentrated sulfuric acid was changed to 44.9 g (0.458 mol, 0.2 mol with respect to 1 mol of 4,4′-difluorobenzophenone which is an aromatic dihalide). Similarly, disodium 3,3′-disulfonate-4,4′-difluorobenzophenone represented by the above formula (G1) was synthesized. The yield was 92%. Yield is high and waste sulfuric acid and by-product inorganic salts are hardly generated, so it is environmentally friendly, the disposal cost is low, and it is suitable for mass synthesis and production cost reduction.
比較例1
スルホン化剤として発煙硫酸を用いて、下記式(G1)で表されるジソジウム 3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロベンゾフェノンを合成した。
Comparative Example 1
Using fuming sulfuric acid as a sulfonating agent, disodium 3,3′-disulfonate-4,4′-difluorobenzophenone represented by the following formula (G1) was synthesized.
「マクロモル ケム フィズ」(Macromol. Chem. Phys.), 199, 1421-1426 (1998).に記載の方法に基づいて実施した。すなわち、テフロン(登録商標)製攪拌羽根、還流コンデンサーを備えた5L縦型セパラブルフラスコを窒素置換し、4,4’−ジフルオロベンゾフェノン(アルドリッチ社試薬、純度99.9%)1226g(5.62モル)を仕込み、緩やかに攪拌しながら、発煙硫酸(50%SO3、和光純薬試薬)3500g(SO3が21.86モルで導入するスルホン酸基1モルに対して1.94モル、H2SO4が17.84モルで芳香族ジハライドである4,4’−ジフルオロベンゾフェノン1モルに対して3.17モル)を徐々に加えた。100℃で19h反応させた。褐色粘調液体であった。その後、11kgの水中に少しずつ投入し、2760gのNaOHでpHが7になるまで中和した後、食塩1000gを加え、合成物を沈殿させた。 This was performed based on the method described in “Macromol. Chem. Phys.”, 199, 1421-1426 (1998). That is, a 5 L vertical separable flask equipped with a Teflon (registered trademark) stirring blade and a reflux condenser was purged with nitrogen, and 1,226 g (5.62) of 4,4′-difluorobenzophenone (Aldrich reagent, purity 99.9%). Mole), and while gently stirring, 3500 g of fuming sulfuric acid (50% SO 3 , Wako Pure Chemical Reagent) (1.94 mol per mol of sulfonic acid group introduced at 21.86 mol of SO 3 , H 2 SO 4 was added slowly 3.17 mol) relative to 4,4'-difluorobenzophenone 1 mole of an aromatic dihalide in 17.84 molar. The reaction was carried out at 100 ° C. for 19 hours. It was a brown viscous liquid. Thereafter, the solution was poured little by little into 11 kg of water and neutralized with 2760 g of NaOH until the pH became 7, and then 1000 g of sodium chloride was added to precipitate the composite.
得られた白色沈殿を濾別し、6.5Lのエタノール水溶液(エタノール/水=2/1)で再結晶し、上記式(G1)で示されるジソジウム 3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロベンゾフェノン1279gを得た。得られた化合物の純度は、CEおよびICから99.3%であった。不純物としては、ICからNa2SO4の0.19%、CEから有機不純物の0.5%が認められた。また、構造は1H−NMRスペクトルにより確認した。 The resulting white precipitate was filtered off, recrystallized with 6.5 L of an aqueous ethanol solution (ethanol / water = 2/1), and disodium 3,3′-disulfonate-4,4 represented by the above formula (G1). 1279 g of '-difluorobenzophenone was obtained. The purity of the obtained compound was 99.3% from CE and IC. As impurities, 0.19% of Na 2 SO 4 from IC and 0.5% of organic impurities from CE were observed. The structure was confirmed by 1 H-NMR spectrum.
実施例1と比較して収率が低く、廃硫酸や副生成物の無機塩、さらに塩析用の食塩を多量に含むため、環境に優しくなく、廃棄コストがかさみ、大量合成や製造コスト低減に適していなかった。 Compared to Example 1, the yield is low, and since it contains a large amount of waste sulfuric acid, by-product inorganic salts, and salt for salting out, it is not environmentally friendly, the disposal cost is high, and the mass synthesis and production costs are reduced. It was not suitable for.
本発明によって得られるスルホン酸基含有芳香族ジハライドは高分子電解質材料用として有用であり、種々の電気化学装置(例えば、燃料電池、水電解装置、クロロアルカリ電解装置等)に適用可能である。これら装置の中でも、燃料電池用に好適であり、特にメタノール水溶液を燃料とする燃料電池に好適である。 The sulfonic acid group-containing aromatic dihalide obtained by the present invention is useful as a polymer electrolyte material, and can be applied to various electrochemical devices (for example, a fuel cell, a water electrolysis device, a chloroalkali electrolysis device, etc.). Among these devices, it is suitable for a fuel cell, and particularly suitable for a fuel cell using a methanol aqueous solution as a fuel.
本発明によって得られるスルホン酸基含有芳香族ジハライドをもちいて得た芳香族ポリエーテル系重合体を用いた高分子電解質型燃料電池の用途としては、特に限定されないが、携帯電話、パソコン、PDA、ビデオカメラ、デジタルカメラ、テレビ、ラジオ、ミュージックプレーヤー、ゲーム機、ヘッドセット、DVDプレーヤーなどの携帯機器、産業用人型、動物型などの各種ロボット、コードレス掃除機等の家電、玩具類、電動自転車、自動二輪、自動車、バス、トラックなどの車両や船舶、鉄道などの移動体の電力供給源、据え置き型の発電機など従来の一次電池、二次電池の代替、もしくはこれらとのハイブリット電源として好ましく用いられる。
The use of the polymer electrolyte fuel cell using the aromatic polyether-based polymer obtained by using the sulfonic acid group-containing aromatic dihalide obtained by the present invention is not particularly limited, but includes a mobile phone, a personal computer, a PDA, Mobile devices such as video cameras, digital cameras, TVs, radios, music players, game machines, headsets, DVD players, various robots such as industrial humanoids and animal types, home appliances such as cordless vacuum cleaners, toys, electric bicycles, It is preferably used as a power supply source for vehicles such as motorcycles, automobiles, buses, trucks, etc., moving bodies such as ships and railways, conventional primary batteries such as stationary generators, alternative to secondary batteries, or a hybrid power source with these. It is done.
Claims (10)
The method for producing a sulfonic acid group-containing aromatic dihalide according to claim 9, wherein the aromatic polyether polymer is used for a polymer electrolyte material.
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