JP2008214310A - ニトロキシドアルコール化合物およびそれを用いた（メタ）アクリル酸ニトロキシド化合物の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】二次電池の電極材料として有用なラジカル化合物として、高いラジカル濃度を有する（メタ）アクリル酸系重合体を製造するための単量体原料の製造方法の提供。
【解決手段】式（１）：

で表されるニトロキシドアルコール化合物を、（メタ）アクリル酸ハライドを用いてエステル化させる方法、あるいは（メタ）アクリル酸エステル化合物を用いてエステル交換反応によりエステル化させる方法により（メタ）アクリル酸ニトロキシド化合物を製造する。
【選択図】なし

Description

本発明は、ニトロキシドアルコール化合物およびそれを用いた（メタ）アクリル酸ニトロキシド化合物の製造方法に関する。（メタ）アクリル酸ニトロキシド化合物は、二次電池の電極材料として用いられる（メタ）アクリル酸系重合体の製造原料として用いることができる。

ノート型パソコンや携帯電話等の急速な市場拡大に伴い、これらに用いられるエネルギー密度の高い小型大容量二次電池への要求が高まっている。この要求に応えるために、リチウムイオン等のアルカリ金属イオンを荷電担体としてその電荷授受に伴う電気化学反応を利用した二次電池が開発されている。中でもリチウムイオン二次電池は、エネルギー密度が高く、安定性に優れた大容量二次電池として種々の電子機器に利用されている。このようなリチウムイオン二次電池は、一般に、活物質として正極にリチウム含有遷移金属酸化物を、負極に炭素を用いたものであり、これら活物質へのリチウムイオンの挿入、脱離反応を利用して充放電を行っている。

近年、より大容量化を目的に、電極反応に直接寄与する電極活物質としてラジカル化合物を利用した二次電池が提案されている（特許文献１参照）。そしてラジカル化合物としては、例えば、ポリ（２，２，６，６−テトラメチル−４−ピペリジノキシメタクリレート）、ポリ（２，２，５，５−テトラメチル−２−ピロリジノキシメタクリレート）およびポリ（２，２，５，５−テトラメチル−２−ピロリノキシメタクリレート）等の、高分子の側鎖に安定なラジカルを有する化合物が提案されている。これらラジカル化合物のうち、例えば、最も高いラジカル濃度を有するポリ（２，２，５，５−テトラメチル−２−ピロリノキシメタクリレート）のラジカル濃度（計算値）は２．６９×１０^２１ｒａｄｉｃａｌｓ／ｇである。

その他、高いラジカル濃度を有するラジカル化合物として、スピロ環状ニトロキシド構造を有する高分子化合物が提案されている（特許文献２参照）。当該高分子化合物のうち、最も高いラジカル濃度を有するポリ（２，２，８，８，１０，１０−ヘキサメチル−１，９−ジアザスピロ［５，５］−ウンデカンアクリレートオキシラジカル）のラジカル濃度（計算値）は、３．５６×１０^２１ｒａｄｉｃａｌｓ/ｇであり、特許文献２には、この高分子化合物のラジカル濃度（実測値）は、３．５８×１０^２１ｒａｄｉｃａｌｓ／ｇであると記載されている。

前記ラジカル濃度は、エネルギー密度が高く大容量である二次電池を実現する上で重要な指標の一つであることから、高いラジカル濃度を有するラジカル化合物をはじめ、電極活物質として用いることができる種々のラジカル化合物の出現が待ち望まれている。

特開２００２−３０４９９６号公報 特開２００６−４５３１０号公報

本発明は、二次電池の電極材料として有用なラジカル化合物として、高いラジカル濃度を有する（メタ）アクリル酸系重合体を製造するための単量体原料の製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、式（１）：

で表されるニトロキシドアルコール化合物に関する。

本発明は、また、前記ニトロキシドアルコール化合物を（メタ）アクリル酸ハライドを用いてエステル化させる方法や、あるいは（メタ）アクリル酸エステル化合物を用いてエステル交換させる方法により、式（２）：

（式（２）中、Ｒは、水素原子またはメチル基を示す。）で表される（メタ）アクリル酸ニトロキシド化合物を製造する方法に関する。

なお、本発明においては、アクリル酸およびメタクリル酸を（メタ）アクリル酸といい、アクリレートおよびメタクリレートを（メタ）アクリレートという。

本発明によると、二次電池の電極活物質として有用な、高いラジカル濃度を有する（メタ）アクリル酸系重合体を製造するための単量体原料の製造方法を提供することができる。

本発明に係るニトロキシドアルコール化合物は、下記式（１）で表される新規化合物である。

式（１）で表される本発明のニトロキシドアルコール化合物は、例えば、下記式（３）で表されるイミノアルコール化合物をニトロキシド化することにより製造することができる。

前記イミノアルコール化合物は、例えば、２，４−ジアミノ−２，４−ジメチル−３−ペンタノンとアセトンとを脱水反応させることにより得られる、下記式（４）で表されるイミノケトン化合物を還元する方法等により製造することができる。

２，４−ジアミノ−２，４−ジメチル−３−ペンタノンは、例えば、下式に示すように、２，４−ジメチル−３−ペンタノンを用いて２，４−ジブロモ−２，４−ジメチル−３−ペンタノンを得て、さらにこれを用いて得られる２，４−ジアジド−２，４−ジメチル−３−ペンタノンを用いる公知の方法（米国特許第５８４７１２０号）により製造することができる。

前記脱水反応において、溶媒としては、メタノール、エタノールおよびｔｅｒｔ−ブタノール等のアルコール類等を挙げることができ、当該反応を円滑に進行させるために、塩酸、硝酸、硫酸等の無機酸触媒を用いてもよい。また、当該脱水反応で得られる前記イミノケトン化合物の還元反応に用いられる還元剤としては、リチウムボロハイドライド、ナトリウムボロハイドライド、リチウムアルミニウムハイドライドおよびナトリウムアルミニウムハイドライド等を挙げることができる。

このようにして得られるイミノアルコール化合物をニトロキシド化する方法としては、特に限定されず、例えば、立体障害を有する第２級アミンを、酸化剤を用いて酸化することにより、対応するニトロキシド遊離基を有する化合物を製造する公知の方法等を挙げることができる。

ニトロキシド化に使用する酸化剤としては、例えば、過酸化水素、過ギ酸、過酢酸、過安息香酸および過フタル酸等の過酸化物やこれらのハロゲン化物、酸化銀、四酢酸鉛、ヘキサシアノ鉄（ＩＩＩ）酸カリウムおよび過マンガン酸カリウム等の酸化物、並びに空気等が挙げられる。

酸化剤の使用割合は、反応を円滑に進行させる観点および使用量に見合うだけの効果を得る観点から、イミノアルコール化合物１モルに対して１〜５０モルの割合であることが好ましく、１．５〜３０モルの割合であることがより好ましい。

ニトロキシド化に使用する不活性溶媒としては、例えば、ジクロロメタン、クロロホルム、ジクロロエタン等のハロゲン化炭化水素類；アセトニトリル、プロピオニトリル、ブチロニトリル等の脂肪族ニトリル類；ベンゾニトリル、トルニトリル等の芳香族ニトリル類；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−ブタノール等のアルコール類；ベンゼン、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素類、および水等が挙げられる。これらの中でも、ジクロロメタン、クロロホルム、ジクロロエタン等のハロゲン化炭化水素類およびメタノール、エタノール、ｔｅｒｔ−ブタノール等のアルコール類が好適に用いられる。

不活性溶媒の使用量は、反応を円滑に進行させる観点から、イミノアルコール化合物１００重量部に対して、３００〜５０００重量部であることが好ましく、５００〜４０００重量部であることがより好ましい。

また、前記ニトロキシド化反応において、必要に応じて触媒を使用することができる。触媒としては、通常のニトロキシド化反応に使用されている触媒を挙げることができる。ニトロキシド化反応に用いられる触媒の具体例としては、タングステンおよびモリブデン等の１８族型元素周期律表第６族から選ばれる金属元素を含む化合物であって、例えば、タングステン酸、リンタングステン酸、パラタングステン酸並びにこれらのアルカリ金属塩（ナトリウム塩、カリウム塩等）およびアンモニウム塩や酸化タングステン、タングステンカルボニル等のタングステン化合物；モリブデン酸、リンモリブデン酸、パラモリブデン酸並びにこれらのアルカリ金属塩（ナトリウム塩、カリウム塩等）およびアンモニウム塩や酸化モリブデン、モリブデンカルボニル等のモリブデン化合物等が挙げられ、さらに具体的には、パラ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、リンタングステン酸、モリブデン酸ナトリウム、三酸化モリブデンおよびモリブデンヘキサカルボニル等が挙げられる。

触媒の使用割合は、反応を円滑に進行させる観点および使用量に見合うだけの効果を得る観点から、イミノアルコール化合物１モルに対して０．０００１〜０．１５モルの割合であることが好ましく、０．００１〜０．１モルの割合であることがより好ましい。

ニトロキシド化の反応温度としては、０〜１００℃が好ましく、２０〜８０℃がより好ましい。

ニトロキシド化の操作方法としては、例えば、先に所定量のイミノアルコール化合物、不活性溶媒および必要に応じて触媒を混合した後、撹拌下に酸化剤を添加しながら反応させる方法等が挙げられる。この方法によると、容易に収率よく反応させることができる。この方法において、酸化剤を添加しながら反応させる時間は、特に制限はないが、通常、１〜１０時間、好ましくは３〜６時間である。さらに、通常、酸化剤の添加終了後、前記温度に１〜１０時間保持して反応を完結させる。

かくして得られた本発明のニトロキシドアルコール化合物は、必要に応じてろ過や遠心分離により不要物を除去した後、濃縮、乾燥することにより単離することができる。なお、前記ニトロキシド化反応において、原料のイミノアルコール化合物は必ずしも不活性溶媒に溶解させる必要はなく、例えば膨潤した状態であっても、前記ニトロキシド化反応は容易に進行する。

なお、前記ニトロキシド化の反応率は、通常、９０％以上であり、当該反応率は、反応に用いた酸化剤の残存量を分析する方法や、ＮＭＲ法等を用いて反応生成物に残留するイミノ基を定量する方法等により算出することができる。

本発明において、（メタ）アクリル酸ニトロキシド化合物は、上記のようにして得られたニトロキシドアルコール化合物を用いて、例えば、以下の２種類の方法により製造することができる。

製造方法１
この製造方法では、前記ニトロキシドアルコール化合物を（メタ）アクリル酸ハライドでエステル化させることにより、（メタ）アクリル酸ニトロキシド化合物を製造することができる。

（メタ）アクリル酸ハライドとしては、例えば、（メタ）アクリル酸フルオライド、（メタ）アクリル酸クロライド、（メタ）アクリル酸ブロマイドおよび（メタ）アクリル酸ヨーダイド等が挙げられる。これらの中でも、安価であることから（メタ）アクリル酸クロライドが好適に用いられる。

（メタ）アクリル酸ハライドの使用割合は、ニトロキシドアルコール化合物１モルに対して０．８〜１．５モルの割合であることが好ましく、０．９〜１．１モルの割合であることがより好ましい。（メタ）アクリル酸ハライドの使用割合が０．８モル未満の場合、反応が進行しにくくなるおそれがある。また、（メタ）アクリル酸ハライドの使用割合が１．５モルを超える場合、使用量に見合う効果がなく経済的でなくなるおそれがある。

エステル化に使用する溶媒としては、例えば、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン等のエーテル類；ジクロロメタン、クロロホルム、ジクロロエタン等のハロゲン化炭化水素類；アセトニトリル、プロピオニトリル、ブチロニトリル等の脂肪族ニトリル類；ベンゾニトリル、トルニトリル等の芳香族ニトリル類；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−ブタノール等のアルコール類；ベンゼン、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素類等が挙げられる。これらの中でも、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン等のエーテル類が好適に用いられる。

溶媒の使用量は、反応を円滑に進行させる観点および使用量に見合うだけの効果を得る観点から、ニトロキシドアルコール化合物１００重量部に対して５０〜５０００重量部であることが好ましく、１００〜３０００重量部であることがより好ましい。

また、エステル化をより円滑に進行させることを目的として、塩基を加えてもよい。塩基としては、例えば、トリメチルアミン、トリエチルアミンおよびトリフェニルアミン等のアミン化合物等が挙げられる。これら塩基は、１種単独で使用してもよいし、あるいは２種以上を併用してもよい。塩基の使用割合は、ニトロキシドアルコール化合物１モルに対して１．５モル以下の割合であることが好ましく、０．８〜１．２モルの割合であることがより好ましい。

エステル化の操作方法としては、例えば、先に所定量のニトロキシドアルコール化合物、溶媒および必要に応じて塩基を混合した後、攪拌下に（メタ）アクリル酸ハライドを滴下しながら反応させる方法等が挙げられる。この方法によると、容易に収率よく反応させることができる。

反応温度としては、０〜１００℃が好ましく、２０〜８０℃がより好ましい。反応時間としては、特に制限はないが、通常、１〜２０時間であり、好ましくは５〜２０時間である。

かくして得られた（メタ）アクリル酸ニトロキシド化合物は、ろ過や濃縮等により容易に単離することができる。

製造方法２
この製造方法では、前記ニトロキシドアルコール化合物を（メタ）アクリル酸エステル化合物とエステル交換させることにより、（メタ）アクリル酸ニトロキシド化合物を製造することができる。

（メタ）アクリル酸エステル化合物としては、例えば、（メタ）アクリル酸メチル、（メタ）アクリル酸エチル、（メタ）アクリル酸−ｎ−プロピルおよび（メタ）アクリル酸−ｎ−ブチル等が挙げられる。これらの中でも、（メタ）アクリル酸メチルおよび（メタ）アクリル酸エチルが好適に用いられる。

（メタ）アクリル酸エステル化合物の使用割合は、ニトロキシドアルコール化合物１モルに対して１〜１０モルの割合であることが好ましく、１〜５モルの割合であることがより好ましい。

エステル交換に際して、ベンゼン、トルエン、キシレン、ヘキサン、オクタン、イソオクタンおよびシクロヘキサン等の炭化水素類等を溶媒として使用することができるが、これら溶媒を使用せず、生成するアルコールを（メタ）アクリル酸エステル化合物との共沸により系外に取り出しながら反応させることにより、当該反応を容易に完結させることができる。

また、エステル交換をより円滑に進行させることを目的として、触媒を用いてもよい。触媒としては、例えば、チタン酸テトラメチル、チタン酸テトラエチル、ジブチル錫オキシドおよびジオクチル錫オキシド等が挙げられる。これら触媒は、１種単独で使用してもよいし、あるいは２種以上を併用してもよい。触媒の使用割合は、ニトロキシドアルコール化合物１モルに対して０．０５モル以下の割合であることが好ましく、０．００５モル以下の割合であることがより好ましい。

反応温度としては、５０〜１６０℃が好ましく、８０〜１４０℃がより好ましい。反応時間としては、反応温度や触媒の種類等によって適宜選択することができるが、通常、１〜４８時間である。

かくして得られた（メタ）アクリル酸ニトロキシド化合物は、ろ過等により触媒を除去し、溶媒を用いた場合はさらに溶媒を留去することによって、容易に単離することができる。

（メタ）アクリル酸ニトロキシド化合物は、二次電池の電極活物質として有用な、高いラジカル濃度を有する（メタ）アクリル酸系重合体を製造するための単量体原料として用いることができる。

（メタ）アクリル酸系重合体を製造する方法としては、例えば、前記（メタ）アクリル酸ニトロキシド化合物をトルエンやｎ−ヘキサン等の溶媒に溶解し、窒素ガスにより系内を脱酸素した後、撹拌しながら重合開始剤を添加する方法等を挙げることができる。また、このようにして得られた（メタ）アクリル酸系重合体は、これを金属等の集電体と結着させることにより、二次電池の電極として使用することができる。

以下に、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明は、これら実施例によってなんら限定されるものではない。

製造例１
攪拌機、窒素ガス導入管、温度計および還流冷却管を備えた５Ｌ容の４つ口フラスコに、２，４−ジアミノ−２，４−ジメチル−３−ペンタノン１４４．２ｇ（１モル）、アセトン５８．１ｇ（１モル）およびメタノール１．５Ｌを仕込み、均一溶液を得た。この溶液を２５℃に保ちながら、窒素ガスを通じて反応系内の酸素を除去した後、攪拌下、６０℃にて８時間反応させた。反応終了後、反応液を３５℃にて減圧濃縮し、濃縮物をクロロホルム−メタノール混合液（容積比５／１）５００ｍＬに溶解した。この溶液を、シリカゲル（ダイソー株式会社製、ＩＲ−６０−６３／２１０）３Ｌをクロロホルム−メタノール混合液（容積比５／１）１２Ｌに懸濁して充填した１０Ｌカラムに通液して精製した。目的物画分を採取し、３５℃で恒量になるまで減圧乾燥することにより、式（４）で表されるイミノケトン化合物１５６．８ｇ（収率８５．１％）を得た。得られたイミノケトン化合物について、大気圧イオン化法により質量分析したところ、分子量は１８４であり、Ｈ−ＮＭＲ（ＣＤＣｌ_３）を測定したところ、１．７５、１．４４、１．３３ｐｐｍにピークが認められた。

得られたイミノケトン化合物１８．４ｇ（１００ミリモル）と共に、ナトリウムボロハイドライド１．９ｇ（５０ミリモル）およびメタノール１５０ｍＬを攪拌機、窒素ガス導入管、温度計および還流冷却管を備えた５００ｍＬ容の４つ口フラスコに仕込み、均一溶液を得た。この溶液を２５℃に保ちながら、窒素ガスを通じて反応系内の酸素を除去した後、攪拌下で１８時間反応させた。反応終了後、反応液を２５℃にて減圧濃縮し、濃縮物をクロロホルム−メタノール混合液（容積比５／１）５０ｍＬに溶解した。この溶液を、シリカゲル（ダイソー株式会社製、ＩＲ−６０−６３／２１０）３００ｍＬをクロロホルム−メタノール混合液（容積比５／１）１．２Ｌに懸濁して充填した１Ｌカラムに通液して精製した。目的物画分を採取し、２５℃で恒量になるまで減圧乾燥することにより、式（３）で表されるイミノアルコール化合物１０．３ｇ（収率５５．１％）を得た。得られたイミノアルコール化合物について、大気圧イオン化法により質量分析したところ、分子量は１８６であり、Ｈ−ＮＭＲ（ＣＤＣｌ_３）を測定したところ、６．２６、１．７５、１．５３、１．４４、１．３３ｐｐｍにピークが認められた。

実施例１
攪拌機、窒素ガス導入管、温度計、還流冷却管および滴下ロートを備えた１Ｌ容の４つ口フラスコに、製造例１と同様にして得られたイミノアルコール化合物１８．６０ｇ（１００ミリモル）およびジクロロメタン１００ｍＬを仕込み、２５℃に保ちながら窒素ガスを通じて系内の酸素を除去した後、ジクロロメタン３００ｍＬに溶解させたｍ−クロロ過安息香酸７９．７ｇ（純分６５重量％、３００ミリモル）を５時間かけて滴下した。引き続き、６時間２５℃に保持した後、遠心分離し、上層部を１０重量％炭酸カリウム水溶液１００ｍＬ、飽和食塩水１００ｍＬおよび純水１００ｍLで洗浄した後、さらに硫酸マグネシウムで脱水し、硫酸マグネシウムを除去した後、減圧乾燥して、式（１）で表されるニトロキシドアルコール化合物２１．３８ｇを得た（収率９９％）。得られたニトロキシドアルコール化合物は、大気圧イオン化法により質量分析したところ、分子量が２１６であったことから同定できた。

実施例２
撹拌機、窒素ガス導入管、温度計、還流冷却管および滴下ロートを備えた５００ｍＬ容の４つ口フラスコに、実施例１と同様にして得られたニトロキシドアルコール化合物２１．６ｇ（１００ミリモル）、トリエチルアミン１１．１ｇ（１１０ミリモル）およびジエチルエーテル３００ｍＬを仕込み、均一溶液を得た。この溶液を２５℃に保ちながら、窒素ガスを通じて反応系内の酸素を除去した後、撹拌下、メタクリル酸クロライド１０.５ｇ（１００ミリモル）を３時間かけて滴下した。引き続き、８時間２５℃に保持した後、反応液をろ過し、ろ液を２５℃にて減圧濃縮した後、濃縮物をクロロホルム−メタノール混合液（容積比５／１）５００ｍＬに溶解した。この溶液を、シリカゲル（ダイソー株式会社製、ＩＲ−６０−６３／２１０）３００ｍＬをクロロホルム−メタノール混合液（容積比５／１）１．２Ｌに懸濁して充填した１Ｌカラムに通液して精製した。目的物画分を採取し、２５℃で恒量になるまで減圧乾燥することにより、式（２）におけるＲがメチル基であるメタクリル酸ニトロキシド化合物２９．６ｇ（収率９８．７％）を得た。

得られたメタクリル酸ニトロキシド化合物は、大気圧イオン化法により質量分析したところ、分子量が２８４であったことから同定できた。

実施例３
１Ｌ容の側管付き四つ口フラスコに、実施例１と同様にして得られたニトロキシドアルコール化合物２１．６ｇ（１００ミリモル）、メタクリル酸メチル４０ｇ（４００ミリモル）およびチタン酸テトラメチル０．００８６ｇ（０．０５ミリモル）を仕込み、窒素ガスを通じて反応系内の酸素を除去した後、２０段オルダーショウ蒸留塔を備えた還流装置を用いて、６時間のエステル交換反応を行った。この間、反応で生成するメタノールはメタクリル酸メチルとの共沸で系外に除去した。また、反応液の温度は１０５℃から１１８℃まで上昇した。

反応終了後、反応液を減圧下で濃縮し、得られた結晶にヘキサン１００ｍＬを添加後、さらに水を適量加えてチタン酸テトラメチルを失活させ、これをろ過した後、さらにヘキサンを減圧で除去することにより、式（２）におけるＲがメチル基であるメタクリル酸ニトロキシド化合物２９．７ｇ（収率９９．１％）を得た。

得られたメタクリル酸ニトロキシド化合物は、大気圧イオン化法により質量分析したところ、分子量が２８４であったことから同定できた。

Claims (3)

1. 式（１）：
   

   

   で表されるニトロキシドアルコール化合物。
2. 式（１）：
   

   

   で表されるニトロキシドアルコール化合物を（メタ）アクリル酸ハライドを用いてエステル化させることを特徴とする、式（２）：
   

   

   （式（２）中、Ｒは、水素原子またはメチル基を示す。）で表される（メタ）アクリル酸ニトロキシド化合物の製造方法。
3. 式（１）：
   

   

   で表されるニトロキシドアルコール化合物を（メタ）アクリル酸エステル化合物を用いてエステル交換させることを特徴とする、式（２）：
   

   

   （式（２）中、Ｒは、水素原子またはメチル基を示す。）で表される（メタ）アクリル酸ニトロキシド化合物の製造方法。