(57)【要約】      （修正有）【課題】スルフィナート基｛P-(SO2)nX、Xは金属カチオン又はH+又はアンモニウムイオン｝を含む新規なポリマー又はオリゴマーの提供。得られたスルフィン化ポリマーをさらに反応させることによって、1個、2個又は少数の官能基を有する求電子物質でスルフィナート基をアルキル化して得られるポリマー及び膜の提供。【解決手段】少なくともSO2Y基｛Yは、F、Cl、Br、I、OR、NR2（Rは、アルキル及び／又はアリール及び／又はHである）、Ｎ−イミダゾール、Ｎ−ピラゾール｝を含むポリマー又はオリゴマーを、懸濁液又は溶液の状態で還元剤を用いて完全に又は部分的に還元して得るポリマー又はオリゴマー。さらに、Ｓ−アルキル化によって求電子物質とスルフィン化ポリマーを反応させる方法により得られるポリマー又はオリゴマー。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくともスルフィナート基（P-(SO2)nX、Xは、1-(n=1)、2-(n=2)又は3-(n=3)価の金
属カチオン又はH+又はアンモニウムイオンNR4+である（Rは、アルキル、アリール、Hであ
る））を大量に又は表面的に含むポリマー又はオリゴマーであり、該ポリマー又は該オリ
ゴマーは、SO2Y基（Yは、F、Cl、Br、I、OR、NR2（Rは、アルキル及び／又はアリール及
び／又はHである）、Ｎ−イミダゾール、Ｎ−ピラゾールである）を含むポリマー又はオ
リゴマーを、懸濁液又は溶液の状態で適した還元剤を用いて、大量に又は表面的に、完全
に又は部分的に還元することによって得られることを特徴とする、該ポリマー又はオリゴ
マー。
【請求項２】
前記ポリマー又はオリゴマーは、
−ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイソブチレン、ポリノルボルネン、ポリメチルペ
ンテン、ポリイソプレン、ポリ（１，４−ブタジエン）、ポリ（１，２−ブタジエン）の
ようなポリオレフィン
−ポリスチレン、ポリ（メチルスチレン）、ポリ（α，β，β−トリフルオロスチレン）
、ポリ（ペンタフルオロスチレン）のようなスチレン（共）重合体
−Nafion（登録商標）又はNafion（登録商標）のSO2Hal前駆体（HalはF、Cl、Br、Iであ
る）、Dow（登録商標）膜、GoreSelect（登録商標）膜のような過フッ素化アイオノマー
−以下のような（ヘテロ）アリールが主鎖のポリマー：
−ポリエーテルケトンPEK Victrex（登録商標）、ポリエーテルエーテルケトンPEEK 
Victrex（登録商標）、ポリエーテルエーテルケトンケトンPEEKK、ポリエーテルケトンエ
ーテルケトンケトンPEKEKK  Ultrapek（登録商標）のようなポリエーテルケトン
−ポリスルホンUdel（登録商標）、ポリフェニルスルホンRadel R（登録商標）、ポ
リエーテルエーテルスルホンRadel A（登録商標）、ポリエーテルスルホンPES Victrex（
登録商標）のようなポリエーテルスルホン
−PBI Celazol（登録商標）並びに（ベンズ）イミダゾール・モノマーを含む他のオ
リゴマー及びポリマー（（ベンズ）イミダゾール基は、主鎖またはポリマーの側鎖に存在
することができる）のようなポリ（ベンズ）イミダゾール
−例えば、ポリ（２，６−ジメチルオキシフェニレン）、ポリ（２，６−ジフェニル
オキシフェニレン）のようなポリフェニレンエーテル
−ポリフェニレンスルフィド及び共重合体
−ポリ（１，４−フェニレン）又はポリ（１，３−フェニレン）（必要であれば、ベ
ンゾイル−、ナフトイル−又はｏ−フェニルオキシ−１，４−ベンゾイル基、ｍ−フェニ
ルオキシ−１，４−ベンゾイル基又はｐ−フェニルオキシ−１，４−ベンゾイル基を用い
て側基に修飾することができる）
−ポリ（ベンゾオキサゾール）及び共重合体
−ポリ（ベンズチアゾール）及び共重合体
−ポリ（フタラジノン）及び共重合体
−ポリアニリン及び共重合体
からなる群より選択されることを特徴とする、請求項１に記載のスルフィナート基（P-(S
O2)nX）を含むポリマー又はオリゴマー又はポリマー（混合）膜。
【請求項３】
前記ポリマー又はオリゴマーは、（ヘテロ）アリールが主鎖のポリマーからなる群より
選択されることを特徴とする、請求項１ないし２のいずれか一つの請求項に記載のスルフ
ィナート基（P-(SO2)nX）を含むポリマー又はオリゴマー。
【請求項４】
前記ポリマー又はオリゴマーは、
−ポリエーテルケトンPEK Victrex（登録商標）、ポリエーテルエーテルケトンPEEK 
Victrex（登録商標）、ポリエーテルエーテルケトンケトンPEEKK、ポリエーテルケトンエ
ーテルケトンケトンPEKEKK  Ultrapek（登録商標）のようなポリエーテルケトン
−ポリスルホンUdel（登録商標）、ポリフェニルスルホンRadel R（登録商標）、ポ
リエーテルエーテルスルホンRadel A（登録商標）、ポリエーテルスルホンPES Victrex（
登録商標）のようなポリエーテルスルホン
からなる群より選択されることを特徴とする、請求項１、２ないし３のいずれか一つの請
求項に記載のスルフィナート基（P-(SO2)nX）を含むポリマー又はオリゴマー。
【請求項５】
還元剤として、Zn粉末、鉄粉末、亜硫酸ナトリウム、又は亜ジチオン酸ナトリウム、チ
オ硫酸ナトリウム若しくはこれらの含硫塩の混合物などの他の還元含硫塩、ヒドラジン、
H2S、LiAlH4、トリエチルアルミニウム、エチルアルミニウム・セスキクロリドを使用す
ることを特徴とする、請求項１ないし４のいずれか一つの請求項に記載のスルフィナート
基（P-(SO2)nX）を含むポリマー又はオリゴマー。
【請求項６】
還元剤として、固体状態の若しくは水溶液である亜硫酸ナトリウム、固体状態の又はエ
ーテル溶媒の溶液であるZn粉末又はLiAlH4が好ましいことを特徴とする、請求項５に記載
のスルフィナート基（P-(SO2)nX）を含むポリマー又はオリゴマー。
【請求項７】
SO2Y基（Yは、F、Cl、Br、I、OR、NR2（Rは、アルキル及び／又はアリール及び／又はH
である）、Ｎ−イミダゾール、Ｎ−ピラゾールである）を含むポリマー又はオリゴマーを
、適した有機溶媒又は水に溶解するか又は懸濁し、還元剤を、有機溶媒もしくは水で希釈
するか、又は純粋なまま溶解して又は固体として添加し、還元剤の量及び／又は還元時間
及び／又は還元温度に応じて完全に又は部分的に還元を行い、得られたスルフィナート基
を含むポリマー又はオリゴマーを、適した沈殿剤で沈殿させ、必要であれば、塩基又は酸
の水溶液又は非水溶液を用いて、残存するSO2Y基をスルホナート基SO3Xに加水分解し、続
いて両性非プロトン性溶媒に溶解し、再び適した沈殿剤で沈殿させ、続いて濾過し、乾燥
することによって単離することを特徴とする、請求項１ないし６のいずれか一つの請求項
に記載のスルフィナート基（P-(SO2)nX）を含むポリマー又はオリゴマーを還元する方法
。
【請求項８】
SO2Y基を含むポリマー又はオリゴマーを、テトラヒドロフランなどのエーテル溶媒又は
水又はアルコールに溶解するか、又は懸濁することを特徴とする、請求項７記載の方法。
【請求項９】
還元剤として、テトラヒドロフランなどのエーテル溶媒に溶解したLiAlH4を用いること
を特徴とする、請求項７ないし８のいずれか一つの請求項に記載の方法。
【請求項１０】
還元を、-20℃から-80℃までの温度で行うことを特徴とする、請求項７ないし請求項９
のいずれか一つの請求項に記載の方法。
【請求項１１】
沈殿剤として、メタノール、エタノール若しくはプロパノールのようなアルコール又は
水を用いることを特徴とする、請求項７ないし請求項１０のいずれか一つの請求項に記載
の方法。
【請求項１２】
両性非プロトン性溶媒として、Ｎ−メチルピロリジノン、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミ
ド又はＮ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド又はスルホランを用いるこ
とを特徴とする、請求項７ないし１０のいずれか一つの請求項に記載の方法。
【請求項１３】
SO2Y基を含む前記ポリマー又はオリゴマーを水に溶解するか、又は懸濁し、還元剤とし
て、亜硫酸ナトリウム又は亜ジチオン酸ナトリウム又はチオ硫酸ナトリウムを、固体とし
て又は水に溶解して添加し、還元剤の量及び／又は還元時間及び／又は還元温度に応じて
完全に又は部分的に還元を行い、得られたスルフィナート基を含むポリマー又はオリゴマ
ーを、適した沈殿剤で沈殿させ、必要であれば、塩基又は酸の水溶液又は非水溶液を用い
て、残存するSO2Y基をスルホナート基SO3Xへ加水分解し、続いて両性非プロトン性溶媒に
溶解し、再び適した沈殿剤で沈殿させ、続いて濾過し、乾燥することによって単離するこ
とを特徴とする、請求項６ないし７のいずれか一つの請求項に記載の方法。
【請求項１４】
ジハロゲノアルカンもしくはオリゴハロゲノアルカン又はトシル基、エポキシ基を有す
る化合物のような他の二官能基もしくは少数の官能基を有する（oligofunctional）アル
キル化剤をポリマーの両性非プロトン性溶媒の溶液に添加することによって、請求項１な
いし１３のいずれか一つの請求項に記載の部分的に又は完全にスルフィン化した（sulfin
ated）ポリマー又はオリゴマーから製造される架橋ポリマー。
【請求項１５】
架橋剤を部分的に又は完全にスルフィン化した（sulfinated）ポリマーの溶液に添加す
る前に、必要であればさらに他の官能性を持たせたポリマーを溶解して又は固体として添
加することを特徴とする、請求項１４に記載の架橋ポリマー又はポリマー膜又はポリマー
混合膜。
【請求項１６】
スルフィン化（sulfinated）ポリマーを含むポリマー溶液に添加される前記ポリマーは
、陽イオン交換ポリマー、あるいは陽イオン交換基であるSO3H及び／又はPO3H2及び／又
はCOOH、及び／又はSO2Y及び／又はPO2Y2若しくはCOYのような陽イオン交換基の非イオン
性前駆体を含むその非イオン性前駆体から選択されることを特徴とする、請求項１ないし
１５のいずれか一つの請求項に記載の架橋ポリマー又はポリマー膜又はポリマー混合膜。
【請求項１７】
スルフィン化（sulfinated）ポリマーを含む前記ポリマー溶液と、必要であれば二官能
基もしくは少数の官能基を有する（oligofunctional）架橋剤を除く他のポリマーに、さ
らに他の単官能基のアルキル化剤を添加し、必要であれば、該アルキル化剤はさらなる官
能基を持つことができ、該官能基は：
−酸性基：COOM、PO3M2、SO3M（Mは、H又は任意の陽イオンである）；
−酸性基の前駆体：COY、PO2Y2、SO2Y；
−第一級、第二級、第三級アミン、ピリジン基、イミダゾール基、ピラゾール基のような
塩基性基
から選択され、
これらが、架橋反応と同時に、アルキル化によってスルフィナート基と反応することを特
徴とする、請求項１ないし１６のいずれか一つの請求項に記載の架橋ポリマー又はポリマ
ー膜又はポリマー混合膜。
【請求項１８】
電気化学的な方法でエネルギーを生成するために、請求項１ないし１７のいずれか一つ
の請求項に記載の膜を使用する方法。
【請求項１９】
-20℃から+180℃までの温度において膜燃料電池（水素又は直接メタノール燃料電池）
の構成要素として、請求項１ないし１７のいずれか一つの請求項に記載の膜を使用する方
法。
【請求項２０】
電気化学電池において、請求項１ないし１７のいずれか一つの請求項に記載の膜を使用
する方法。
【請求項２１】
二次電池において、請求項１ないし１７のいずれか一つの請求項に記載の膜を使用する
方法。
【請求項２２】
電解セルにおいて、請求項１ないし１７のいずれか一つの請求項に記載の膜を使用する
方法。
【請求項２３】
ガス分離、浸透気化、パーストラクション、逆浸透、電気透析及び拡散透析のような膜
分離処理において、請求項１ないし１７のいずれか一つの請求項に記載の膜を使用する方
法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
スルフィナート基であるSO2Liを含むポリマーにおいて、ジオリゴハロゲノアルカン又
はオリゴハロゲノアルカンによって、スルフィナート基をスルホン基へアルキル化するこ
とで、スルフィナート基を架橋することができることは文献より既知である（特許文献１
、２、３）。膜の膨潤を少なくするために、このような架橋方法を用いてアイオノマー膜
を架橋することができ、それによって、それぞれの膜の処理（例えば、電気透析、拡散透
析、膜燃料電池（水素膜燃料電池、直接メタノール燃料電池））において膜の機械的及び
熱的安定性が優れたものになる。そのように架橋したアイオノマー膜を以下のように２種
類製造することができる。すなわち、１）スルホン化したポリマーを、スルフィン化した
（sulfinated）ポリマーと共に適している大部分の両性非プロトン性溶媒に溶解し、ジハ
ロゲノ架橋剤又はオリゴハロゲノ架橋剤、例えば１，４−ジヨードブタンを必要であれば
添加する。溶媒を蒸発させている間に架橋反応を行う（非特許文献１）。
２）スルフィナート基およびスルホネート基（例えば、ポリマーのスルフィナートをNaOC
l、KMnO4、H2O2等で部分的に酸化させることによって製造した）の両方を含むポリマーを
適した両性非プロトン性溶媒に溶解し、ジハロゲノ架橋剤又はオリゴハロゲノ架橋剤、例
えば１，４−ジヨードブタンを必要であれば添加する。溶媒を蒸発させている間に架橋反
応を行う（非特許文献２）。しかしながら、現在までにスルフィン化した（sulfinated）
ポリマーのみが文献より既知となっており、該ポリマーは、二酸化硫黄と有機金属化（or
ganometallated）ポリマーの反応から製造される（例えば、ブチルリチウム又はフェニル
リチウムとポリスルホンの反応からリチウム化（lithiated）ポリスルホン）（特許文献
４、５）。しかしながら、有機金属試薬は、ポリマーの官能基と反応し、ポリマーを破壊
することができるので、すべてのポリマーが有機金属試薬で処理することができるとは限
らない。有機金属試薬はカルボニル基と反応するので、例えば主鎖にカルボニル基を含む
高性能の熱可塑性ポリエーテルケトン・ファミリー（ポリエーテルケトン  PEK Victrex
（登録商標）、ポリエーテルエーテルケトン  PEEK Victrex（登録商標）、ポリエーテル
エーテルケトンケトン  PEEKK又はポリエーテルケトンエーテルケトンケトンPEKEKK  Ult
rapek（登録商標））をリチウム化（lithiation）によってスルフィン化（sulfinated）
することができない。スルフィナート基の導入のために、別の方法をこれらのポリマーの
ために見出さなければならない。ポリエーテルケトンをスルフィン化（sulfinated）する
ことが、このようなポリマーを架橋することができるので望ましい。前記ポリエーテルケ
トンは、例えばポリスルホン又はポリフェニレンエーテルより熱的に、かつ機械的に安定
しており、従ってポリエーテルケトン・ポリマー由来の架橋したアイオノマー膜は、（電
気）膜処理において優れた安定性を示す。
【背景技術】
【０００２】
低分子のスルホクロリドを、Zn粉末、鉄粉末、亜硫酸ナトリウム、ヒドラジン、H2S、L
iAlH4、トリエチルアルミニウム、エチルアルミニウム・セスキクロリドを用いた還元に
よってスルフィナートへ還元することができる（非特許文献３、４）。主にZn粉末（非特
許文献５）とLiAlH4（非特許文献６）で還元することによって収率が良くなる。驚くべき
ことに、非イオンのスルホネート基誘導体、例えばスルホクロリド基SO2Clを含むポリマ
ーを（ポリマーのスルホクロリドは、チオニルクロリド、リンのトリクロリド酸化物、リ
ン五酸化物とスルホン酸基の反応によって、又はスルフリルクロリドとリチル化した（li
thiated）ポリマーの反応によって容易に入手できる）、適した還元剤を用いて又は適し
た還元剤の混合物を用いて、溶液中もしくは懸濁液中で、高収率で、かつ架橋することな
く変換することができることを今日では見出した。各ポリマーのスルホクロリド基を、還
元剤の種類及び量又は他の反応条件（例えば、濃度、温度）に応じて完全に又は部分的に
スルフィナート基へ変換することができる。反応の最中に副反応としてポリマーの架橋が
全く行われないという事実は、スルフィン酸が、互いに不均化の下で反応することができ
ることがスルフィン酸の例として知られている（非特許文献７）ので第一に注目すべきこ
とであり、従って驚くべきことである。ポリマーのスルホクロリドの反応が、-20から-60
℃の温度で、架橋することなく、高収率でLiAlH4を用いて行われることは、この反応にお
いてルイス酸の中間体が現れ、該中間体は形成したスルフィナート基の架橋を触媒するこ
とができる（非特許文献６）ので特に驚くべきことである。
【特許文献１】1 "Vernetzung von modifizierten Engineering Thermoplasten"J. Kerres, W. Cui, W. Schnurnberger:ドイツ国特許第196 22 337.7号(1996年6月4日出願)、ドイツ特許庁(1997)。
【特許文献２】"Reticulation de Materiaux Thermoplastiques Industriels Modifies"J. Kerres, W. Cui, W. Schnurnberger:フランス国特許第F 97 06706号、1997年5月30日。
【特許文献３】"Cross-Linking of Modified Engineering Thermoplastics"J. Kerres, W. Cui, W. Schnurnberger:米国特許第6,221,923、2001年4月24日に与えられた。
【特許文献４】"Aromatic Polysulfone Compounds and their Manufacture"  M. D. Guiver, O. Kutowy  米国特許第4,999,415号 (1991)。
【特許文献５】"Aromatische Polysulfonderivate und Verfahren zu ihrer Herstellung"M. D. Guiver, O. Kutowy, J. W. ApSimonドイツ国特許公開公報第36 36 854 A1号(1987)
【非特許文献１】"Development and Characterization of Crosslinked Ionomer Membranes Based Upon Sulfinated and Sulfonated PSU. 2. Crosslinked PSU Blend Membranes By Alkylation of Sulfinate Groups With Dihalogenoalkanes." Jochen Kerres, Wei Cui, Martin Junginger  J. Memb. Sci. 139, 227-241 (1998)。
【非特許文献２】"New sulfonated engineering polymers via the metalation route. 2. Sulfinated-Sulfonated Poly(ethersulfone) PSU Udel（登録商標） and Its Crosslinking."J. Kerres, W. Zhang, W. Cui  J. Polym. Sci.: Part A: Polym. Chem. 36, 1441-1448 (1998)
【非特許文献３】"Syntheses of sulfinic acids"  Uri Zoller, in "The Chemistry of Sulphinic Acids, Esters and Their Derivatives", ed. by S. Patai, John Wiley and Sons, 1990, New York, S. 187f
【非特許文献４】"VIII. Reductions of Sulfonyl Derivatives" S. Oae, in "Organic Sulfur Chemistry: Structure and Mechanism", ed. by J. T. Doi, CRC Press,  Inc., Boca Raton, 1991, S. 334f
【非特許文献５】"Sodium p-Toluenesulfinate" F. C. Whitmore, F. H. Hamilton, in "Organic Syntheses", Coll. Vol. I, ed by H. Gilman, 2nd ed., John Wiley and Sons, New   York, 1956
【非特許文献６】"Lithium Aluminium Hydride Reduction of Certain Sulfonic Acid Derivatives" L. Field, F. A. Grunwald  J. Org. Chem. 16, 946-953 (1951)
【非特許文献７】"Development and Characterization of Crosslinked Ionomer Membranes Based Upon Sulfinated and Sulfonated PSU. 1. Crosslinked PSU Blend Membranes ByDisproportionation of Sulfinic Acid Groups."  Jochen Kerres, Wei Cui, Ralf Disson, Wolfgang Neubrand  J. Memb. Sci. 139, 211-225 (1998)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
亜ジチオン酸ナトリウム、チオ硫酸ナトリウムのようなナトリウム塩の水溶液もしくは
他の含硫還元剤又はこのような還元剤の混合物を用いるポリマーのスルホクロリドの還元
において、スルホクロリドの一部のみをスルフィナート基へ変換し、残存するスルホクロ
リド基は変化しないままである（例えば、スルホン酸基へ加水分解されない）といった方
法で反応を制御することができることは、さらに驚くべきことである。このことは、スル
ホクロリド基とスルフィナート基の両方を含むポリマーのスルフィナート基をＳ−アルキ
ル化によってアルキル化する場合、重要なことである。アルキル化の例として：
−  ジハロゲノ化合物もしくはオリゴハロゲノ化合物又は他の二官能基のもしくは少数の
官能基を有する（oligofunctional）アルキル化剤による共有結合による架橋、及び／又
は
−  単官能基のアルキル化剤による反応がある。
【０００４】
イオン性の（ionical）スルホン酸塩誘導体の代わりに、スルホクロリド基がポリマー
に使用できる場合、スルフィナートのＳ−アルキル化はより大きい収率で進行する。これ
は、おそらく非荷電のスルホクロリド基は、溶媒によって、スルホン酸塩の基よりもよく
溶媒和され、該溶媒は、スルフィナート基を含むポリマーに通常用いられるもの（Ｎ−メ
チルピロリジノン  NMP、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド  DNAc、Ｎ，Ｎ−ジメチルホル
ムアミド  DMF、ジメチルスルホキシド  DMSO又はスルホランのような両性非プロトン性
溶媒）であるからである。溶媒和が優れていることによって、スルホクロリド化（sulfoc
hlorinated）ポリマー及びスルフィン化（sulfinated）ポリマーの両方の溶解度が優れた
ものとなり（イオン効果：異なるポリマーを含む溶液のイオン濃度及びそれによるイオン
強度が小さい場合、スルフィン化（sulfinated）ポリマーもよく溶解する）、従って、ス
ルフィナート基をアルキル化剤と共に含むポリマーの反応性が高くなる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の方法で、本発明によるポリマーのスルフィナートの多数が入手可能であり、実
際に、すべてのポリマー又はオリゴマーのスルホン酸を、スルホハライド又は別の非イオ
ン性のスルホン酸誘導体へ転換した後に、それぞれのポリマー又はオリゴマーのスルフィ
ナートに換えることができる。従って、詳細にはスルフィン化（sulfinated）ポリマーが
入手可能であり、例えば主鎖又は側鎖にカルボニル基を含むポリマーのような該ポリマー
は、他の方法でスルフィン化する（sulfinated）ことができない。詳細には、ポリエーテ
ルケトンのファミリー由来の高性能の熱可塑性物質を本発明に従ってスルフィン化するこ
とができるが、これに限定されない。
【発明の効果】
【０００６】
従って、新規な共有結合架橋オリゴマー又はポリマー又はポリマー（混合）膜は、様々
な用途、例えば、膜燃料電池、電気透析（必要であれば両極性膜を用いた）、浸透気化、
ガスの分離、拡散透析、逆浸透、パーストラクションなどのような膜処理に利用可能であ
る。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は、PSU-SO2ClのIRスペクトル（スペクトル１）、SO2とPSU-Liの反応によって製造したPSU-SO2LiのIRスペクトル（スペクトル２）、及びLiAlH4でPSU-SO2Clを還元することによって製造したPSU-SO2LiのIRスペクトル（スペクトル３）を示す図である。
【図２】図２は、スルフィン化（sulfinated）PEEKのFTIRスペクトルを示す図である。
【図３】図３は、種々のPEEKのスルホ誘導体のIRスペクトルの比較を示す図である。
【図４】図４は、スルフィン化（sulfinated）PEEKの1H-NMRスペクトルを示す図である。
【図５】図５は、出発ポリマーPEEK-SO2Clの1H-NMRスペクトルを示す図である。
【図６】図６は、膜の水の取り込みの温度への依存を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明の還元方法の特別な利益は、等モルより少ない量の還元剤によってスルホニル基
を一部分のみ還元することができることにあり、従って同じバックボーン上にスルフィナ
ート基とスルホニル基の両方を持つポリマー又はオリゴマーが得られる。スルホニル基は
、別の工程で、酸、アルカリ及び／又は中性によりそれぞれスルホネート基へ加水分解さ
れ、従ってスルホネート基及びスルフィナート基の両方を含むオリゴマー又はポリマーが
生じ、さらなる工程で、共有結合で架橋したプロトン伝導ポリマー膜に転換することがで
き、それによってスルフィナート基を通常の方法に従って架橋することができる（特許文
献１、２、３）。
【０００９】
部分的にスルフィナートに還元されたポリマーのスルホハライドの可能な別の製造は、
同じポリマーのバックボーン上に２種又は３種の異なるスルホハライド基を持つポリマー
を使用することによって可能になる。スルホクロリド、スルホブロミド及び／又はスルホ
フルオリドからなる組み合わせが特に好ましい。同じポリマー分子内のスルホクロリド及
びスルホブロミド基からなる組み合わせが特に好ましい。スルホハライド基の割合は、互
いにあらゆる任意の値であってもよい。選択した還元剤及び用いる溶媒により、対応する
スルホハライドは還元への異なる傾向を示す。
【００１０】
上記ですでに述べたように、スルホハライド及びスルフィナート基を同じバックボーン
上に含むポリマーの製造が特に好ましい。続いて、ポリマーのPEEKを用いる実施例５で例
として示すように、さらに加工して共有結合で架橋した膜を作る。もうひとつの方法とし
て、架橋した後、残存するスルホハライド基を、水、希釈した酸及び／又はアルカリ中で
加水分解し、スルホン酸又はスルホン酸塩誘導体へ換える。
【００１１】
最終生成物内でのスルホクロリドとスルフィナート基の比は、あらゆる任意の値を採用
することができる。それは、ただただ選択した還元条件のみに依存する。その還元条件と
して、
ａ）還元時間：数秒から60時間の間であり、10から30時間が好ましい。
ｂ）還元の温度：媒体に応じて-60℃から100℃の間である。還元剤として亜硫酸ナトリウ
ムを用いた場合、50℃から100℃の間である。
ｃ）用いる溶媒：水及び両性非プロトン性溶媒が好ましく、両性非プロトン性極性溶媒（
NMP、DMAc、DMSO及びTHF）及び任意の互いに混合したものが特に好ましい。
ことが挙げられる。
【００１２】
本発明によるスルフィン化（sulfinated）オリゴマー及びポリマーの還元が行われてい
る間、二官能基又は少数の官能基を有する（oligofunctional）架橋剤（例えば1，４−ジ
ヨードブタン）を除く他のアルキル化剤をスルフィン化（sulfinated）ポリマー又はオリ
ゴマーの適した溶媒の溶液に同時に添加することができ、該アルキル化剤は、スルフィナ
ート基を架橋反応と同時にアルキル化する。それによって、架橋した膜及び他の生成物を
製造することができ、それらの性質を、さらに導入した官能基によって改変する。他のア
ルキル化剤が酸性の官能基を含む場合、架橋した膜及び他のポリマー生成物の、例えばカ
チオン伝導性、特にプロトン伝導性が生じる。塩基性基を含むアルキル化剤でアルキル化
すると、塩基性アニオン交換基で修飾された膜が得られる。
【００１３】
本発明のポリマー及びオリゴマーの主鎖（バックボーン）は任意に選択されるが、以下
のポリマー：
−ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイソブチレン、ポリノルボルネン、ポリメチルペ
ンテン、ポリイソプレン、ポリ（１，４−ブタジエン）、ポリ（１，２−ブタジエン）の
ようなポリオレフィン
−ポリスチレン、ポリ（メチルスチレン）、ポリ（α，β，β−トリフルオロスチレン）
、ポリ（ペンタフルオロスチレン）のようなスチレン（共）重合体
−Nafion（登録商標）又はNafion（登録商標）のSO2Hal-前駆体（Hal=F、Cl、Br、I）、D
ow（登録商標）膜、GoreSelect（登録商標）膜のような過フッ素化アイオノマー
−スルホン化PVDF及び／又はそのSO2Hal-前駆体（Halは、フッ素、塩素、臭素又はヨウ素
を表す）
−以下のような（ヘテロ）アリールが主鎖のポリマー：
−ポリエーテルケトンPEK Victrex（登録商標）、ポリエーテルエーテルケトンPEEK 
Victrex（登録商標）、ポリエーテルエーテルケトンケトンPEEKK、ポリエーテルケトンエ
ーテルケトンケトンPEKEKK  Ultrapek（登録商標）のようなポリエーテルケトン
−ポリスルホンUdel（登録商標）、ポリフェニルスルホンRadel R（登録商標）、ポ
リエーテルエーテルスルホンRadel A（登録商標）、ポリエーテルスルホンPES Victrex（
登録商標）のようなポリエーテルスルホン
−PBI Celazol（登録商標）並びに（ベンズ）イミダゾール・モノマーを含む他のオ
リゴマー及びポリマー（（ベンズ）イミダゾール基は、主鎖またはポリマーの側鎖に存在
することができる）のようなポリ（ベンズ）イミダゾール
−例えば、ポリ（２，６−ジメチルオキシフェニレン）、ポリ（２，６−ジフェニル
オキシフェニレン）のようなポリフェニレンエーテル
−ポリフェニレン硫化物及び共重合体
−ポリ（１，４−フェニレン）又はポリ（１，３−フェニレン）（必要であれば、ベ
ンゾイル−、ナフトイル−又はｏ−フェニルオキシ−１，４−ベンゾイル基、ｍ−フェニ
ルオキシ−１，４−ベンゾイル基又はｐ−フェニルオキシ−１，４−ベンゾイル基を用い
て側基に修飾することができる）
−ポリ（ベンズオキサゾール）及び共重合体
−ポリ（ベンズチアゾール）及び共重合体
−ポリ（フタラジノン）及び共重合体
−ポリアニリン及び共重合体
が主鎖として好ましい。
【００１４】
以下の反応式（１）及び（２）：
【化１】
2015057483.tif 000002
【化２】
2015057483.tif 000003
は、スルホン化PEEK（polyetheretherketone、ポリエーテルエーテルケトン）のスルフィ
ナートへの典型的な還元を示す。
【００１５】
スルホン化PEEKの、対応するスルホクロリドを経由するスルフィナートへの部分的な還
元を、例として以下のフローチャートに表す。
【化３】
2015057483.tif 000004
【００１６】
ポリマーのスルフィナートは非常に不安定であるので、生じたナトリウム塩の形態を、
かなり安定であるリチウム塩に陽イオン交換によって換える。
【００１７】
本発明の方法によれば、スルホクロリド化（sulfochlorinated）ポリスルホン（polysu
lfone、PSU）又は他のポリ（エーテルスルホン）並びにスルホクロリド化（sulfochlorin
ated）PEEK又は他のポリ（エーテルケトン）を部分的に又は完全に還元することが大変特
に好ましい。
【００１８】
共有結合で架橋することによって製造した膜は、水素燃料電池、特に膜燃料電池で、主
なポリマーのバックボーンに応じて-50℃から+280℃までの温度の範囲内で使用すること
ができる。
【実施例１】
【００１９】
（PSUスルホクロリドをリチウムアルミニウム水素化物で還元することによるスルフィン
化（sulfinated）ポリスルホンPSU Udel（登録商標）の製造）
10.83gのスルホクロリド化（sulfochlorinated）PSU Udel（登録商標）を300mlのテト
ラヒドロフラン（tetrahydrofurane、THF）に溶解した。溶液を、アルゴン保護ガス下で
、-65℃まで冷却した。この後、0.013モル濃度のリチウムアルミニウム水素化物THF溶液1
3mlを2時間以内に滴下漏斗によってポリマー溶液に添加した。還元の開始は、水素の発生
によって示される。水素の発生が約1時間後に終了した後、10％LiOH溶液60mlとエタノー
ル120mlの混合物を反応混合物に入れた。この後、反応混合物を、2.5 lのイソプロパノー
ル内に沈殿させ、濾過した。残留物を、60℃及び圧力が50ヘクトパスカルの乾燥オーブン
内で乾燥した。PSUスルフィナートの生成を、生成物のIRスペクトルによって観察した。9
70cm-1におけるスルフィナートのバンドがはっきりと認識できた（図１、PSU-SO2ClのIR
スペクトル（スペクトル１）、SO2とPSU-Liの反応によって製造したPSU-SO2LiのIRスペク
トル（スペクトル２）、及びLiAlH4でPSU-SO2Clを還元することによって製造したPSU-SO2
LiのIRスペクトル（スペクトル３））。
【実施例２】
【００２０】
（亜硫酸ナトリウム水溶液でPEEK-SO2Clを還元することによるスルフィン化（sulfinated
）ポリ（エーテルエーテルケトン）PEEKの製造）
材料：
7.6g PEEK-SO2Cl（0.02モル）
126g（1モル） Na2SO3
500ml H2O
【化４】
2015057483.tif 000005
PEEKSO2Clを、500mlの2M Na2SO3溶液に添加し、70℃で20時間攪拌した。この後、100℃
まで加熱し、この温度で10分間反応させた。次に、白色ポリマーを濾過して分離した。次
に、ポリマーを、500mlの10％LiOH溶液に入れて攪拌して、イオン交換によってスルフィ
ナート基をLiの形態へ換えた。この後、それを濾過し、洗浄水が中性の反応に至るまで沈
殿物を洗浄した。この後、重量が一定になるまでポリマーを室温で真空乾燥した。この後
、ポリマーを水に懸濁し、透析した。透析したポリマー溶液を脱水し、重量が一定になる
までポリマーを室温で真空乾燥した。
【００２１】
IR：970cm-1におけるSO2Liのスルフィナート基のバンドを容易に検出した（図２）。
【００２２】
スルフィン化（sulfinated）PEEKは、NMP及びDMSOに容易に溶解できる。１，４−ジヨ
ードブタンを前記ポリマーのNMP溶液に与えた場合、5分以内にゲル化が起こり、それによ
りポリマーが架橋した。図４は、スルフィン化（sulfinated）PEEKの1H-NMRスペクトルを
示す。
【００２３】
元素分析：1.0基が置換した。
【００２４】
【表１】
2015057483.tif 000006
【００２５】
生成物であるポリマーの透析後の元素分析（ポリマー内にスルホクロリドとして存在す
るClがまだある）：
【００２６】
【表２】
2015057483.tif 000007
【００２７】
出発生成物であるスルホクロリド化（sulfochlorinated）PEEKの元素分析：
【００２８】
【表３】
2015057483.tif 000008
【００２９】
官能基の25％がスルホクロリドとして存在し、官能基の75％がスルフィナートとして存
在すると仮定して計算した値を用いた元素分析：
分子量397g/モル（C19H11O7S1Cl0.25Li0.75）
【００３０】
【表４】
2015057483.tif 000009
【実施例３】
【００３１】
（亜硫酸ナトリウム水溶液でPEEK-SO2Clを還元することによる部分的にスルフィン化した
（sulfinated）ポリ（エーテルエーテルケトン）PEEKの製造）
材料：
20g PEEK-SO2Cl（0.053モル）
300ml 2モル濃度のNa2SO3水溶液
【化５】
2015057483.tif 000010
PEEKSO2Clを、300mlの2M Na2SO3溶液に添加し、70℃で20時間攪拌した。次に、白色ポ
リマーを濾過して分離した。次に、ポリマーを、500mlの10％LiOH溶液に入れて攪拌して
、Liの形態のスルフィナート基にした。この後、それを濾過し、洗浄水が中性の反応に至
るまで沈殿物を洗浄した。この後、重量が一定になるまでポリマーを室温で真空乾燥した
。この後、ポリマーを水に懸濁し、透析した。透析したポリマー溶液を脱水し、重量が一
定になるまでポリマーを室温で真空乾燥した。
【００３２】
透析後の元素分析の結果：
【００３３】
【表５】
2015057483.tif 000011
【００３４】
元素分析の結果では、反復単位当たり、残存スルホクロリド基は約0.28、得られたスル
フィナート基は0.72であった。過剰のNaOClによるスルフィン化（sulfinated）ポリマー
の酸化還元滴定及び亜硫酸ナトリウムによる逆滴定では、スルフィナート基は反復単位当
たり約0.58だった。
【００３５】
前記滴定のデータ：
CNa2S2O3=0.1N
CNaOCl=0.4962mmol/g
1.259g PEEK-SO2Li 
11.265g NaOCl(5.5897mmol)
VNa2S2O3=70.626ml
GNaOCl=70.626*0.1/2=3.5313mmol
GSO2Li=5.5897-3.5313=2.0584mmol
40℃、4時間、150ml H2O。
IECPEEK-SO2Li=2.0584/1.259=1.63mmol/g（反復単位当たり約0.58 SO2Li基）。
【００３６】
酸化したポリマーを0.1N NaOHで滴定した。その結果、IECは、ポリマーのグラム当たり
2.52meq SO3H基であった。出発ポリマーであるスルホン化PEEK（スルホクロリド生成前）
は、2.7meq/gのIECを有していた。
【実施例４】
【００３７】
（部分的に還元されたPEEK-SO2Clの製造）
材料：
7.6g PEEK-SO2Cl（0.02モル）
126g（1モル）Na2SO3
500ml H2O
【化６】
2015057483.tif 000012
PEEKSO2Clを、300mlの2M Na2SO3溶液に添加し、70℃で20時間攪拌した。次に、白色ポ
リマーを濾過して分離した。次に、ポリマーを、500mlの10％LiOH溶液に入れて攪拌して
、イオン交換によってLiの形態のスルフィナート基にした。この後、それを濾過し、洗浄
水が中性の反応に至るまで沈殿物を洗浄した。この後、重量が一定になるまでポリマーを
室温で真空乾燥した。この後、ポリマーを水に懸濁し、透析した。透析したポリマー溶液
を脱水し、重量が一定になるまでポリマーを室温で真空乾燥した。得られた生成物は、ス
ルフィナート基とスルホクロリド基の両方を含んでいた。
【実施例５】
【００３８】
（スルフィン化（sulfinated）PEEKを用いた共有結合で架橋した膜の製造）
実施例３のスルフィン化（sulfinated）PEEK（反復単位当たり0.72のスルフィナート基
および0.28のスルホクロリド基）を、必要であればスルホン化PEK-SO3Li（IECsPEK=1.8me
q/g）と共にNMPに溶解して、15％溶液を得た。架橋剤である１，４−ジヨードブタンを溶
液に添加し、膜を成形した。真空乾燥オーブン内で（初めは100℃/800hPas、次に120℃/5
0hPas）溶液を蒸発させ、前記乾燥オーブンから膜を取り出した。冷却した後、それを水
中に移し、60℃の7％NaOH内で1時間、次に90℃の水内で1日、それから90℃の10％H2SO4内
で1日、最後に90℃の水で1日、後処理した。
【００３９】
膜の製造：
【００４０】
【表６】
2015057483.tif 000013
【００４１】
膜のキャラクタリゼーションの結果：
【００４２】
【表７】
2015057483.tif 000014
【００４３】
図６から、PEEK-SO2LiSO2Cl（スルホクロリドとスルフィナート基の両方を含むPEEK）
由来の共有結合で架橋した膜の膨潤は、まさに90℃の温度では33％のみであり、これは22
.1Ω*cmというプロトンの伝導度が高い時のものであることが分かる。このことは、この
膜が、80℃を越える温度での膜燃料電池への応用の非常に良い見通しを期待させる注目す
べき結果である。
【００４４】
以下のスキーム：
【化７】
2015057483.tif 000015
は、部分的に還元されたPEEK-SO2Clからの共有結合で架橋した膜の生成を示す。
【００４５】
本発明において特に好ましいポリマーを、再度その構造と共に以下に示す。示されてい
るポリマーは、還元する前にスルホハライド基で置換される。反復単位当たりの置換の程
度は、ポリマーごとに異なり、反復単位当たりのスルホハライド基は10までの値に達する
ことができる。スルホハライド基は、1から5まで、特に2から4までの値であることが好ま
しい。スルホハライド基をスルフィナート基へ100％還元することができるが、スルホハ
ライド基をスルフィナート基へ部分的に還元することが好ましい。用いるスルホハライド
基の30から60％までの値が好ましい。
【００４６】
スルホハライド基とスルホクロリド基の両方を持つポリマーの共有結合した膜の製造に
おいて、加水分解後に0.8から2.2までのイオン交換容量（ion exchange capacity、IEC）
を有する膜が好ましく、1.0から1.8までのIECを有する膜が特に好ましい。
【００４７】
本発明において特に好ましい一般式（１）の反復単位を有するポリマーとして、単独重
合体及び例えばVictrex（登録商標）720P、Astrel（登録商標）などのランダム共重合体
である共重合体が挙げられる。特に好ましいポリマーは、ポリアリールエーテル、ポリア
リールチオエーテル、ポリスルホン、ポリエーテルケトン、ポリピロール、ポリチオフェ
ン、ポリアゾール、ポリフェニレン、ポリフェニレンビニレン、ポリアニリン、ポリアズ
レン、ポリカルバゾール、ポリピレン、ポリインドフェニン及びポリビニルピリジンであ
り、特にポリアリールエーテルである。
【００４８】
ポリアリールエーテル：
ポリフェニレンオキシド
【化８】
2015057483.tif 000016
ポリアリールチオエーテル：
ポリフェニレンスルフィド
【化９】
2015057483.tif 000017
ポリスルホン：
Victrex（登録商標）200P
【化１０】
2015057483.tif 000018
Victrex（登録商標）720P
【化１１】
2015057483.tif 000019
（ｎはoより大きい。）
Radel（登録商標）
【化１２】
2015057483.tif 000020
Radel（登録商標）R
【化１３】
2015057483.tif 000021
Victrex（登録商標）HTA
【化１４】
2015057483.tif 000022
Astrel（登録商標）
【化１５】
2015057483.tif 000023
（ｎはoより小さい。）
Udel（登録商標）
【化１６】
2015057483.tif 000024
ポリエーテルケトン：
PEK
【化１７】
2015057483.tif 000025
PEKK
【化１８】
2015057483.tif 000026
PEKEKK
【化１９】
2015057483.tif 000027
PEEK
【化２０】
2015057483.tif 000028
PEEKK
【化２１】
2015057483.tif 000029
ポリピロール：
【化２２】
2015057483.tif 000030
ポリチオフェン：
【化２３】
2015057483.tif 000031
ポリアゾール：
ポリイミダゾール
【化２４】
2015057483.tif 000032
ポリフェニレン：
【化２５】
2015057483.tif 000033
ポリフェニレンビニレン：
【化２６】
2015057483.tif 000034
ポリアニリン：
【化２７】
2015057483.tif 000035
ポリアズレン：
【化２８】
2015057483.tif 000036
ポリカルバゾール：
【化２９】
2015057483.tif 000037
ポリピレン：
【化３０】
2015057483.tif 000038
ポリインドフェニン：
【化３１】
2015057483.tif 000039
ポリビニルピリジン：
【化３２】
2015057483.tif 000040
【化３３】
2015057483.tif 000041
【化３４】
2015057483.tif 000042
【００４９】
一般式（1A-1）、（1B-1）、（1C-1）、（1I-1）、（1G-1）、（1E-1）、（1H-1）、（
1I-1）、（1F-1）、（1J-1）、（1K-1）、（1L-1）、（1M-1）及び／又は（1N-1）の反復
単位を有する架橋ポリマーが本発明において特に好ましい。
【００５０】
本発明において、ｎは、架橋ポリマーの一つの高分子鎖に沿う反復単位の数を示す。こ
のような架橋ポリマーの一つの高分子鎖に沿う一般式（1）の反復単位の数は、10より大
きい又は10と等しい整数であるのが好ましく、特に100より大きい又は100と等しい整数で
あるのが好ましい。架橋ポリマーの一つの高分子鎖に沿う一般式（1A）、（1B）、（1C）
、（1D）、（1E）、（1F）、（1G）、（1H）、（1I）、（1J）、（1K）、（1L）、（1M）
、（1N）、（1O）、（1P）、（1Q）、（1R）、（1S）及び／又は（1T）の反復単位の数は
、10より大きい又は10と等しい整数であるのが好ましく、特に100より大きい又は100と等
しい整数であるのが好ましい。
【００５１】
本発明の特に好ましい実施態様の一つにおいて、高分子鎖の数平均分子量は、25,000g/
モルより大きく、適切なのは50,000g/モルより大きく、特に100,000g/モルより大きい。
【００５２】
引用した非特許文献
（非特許文献１）"Development and Characterization of Crosslinked Ionomer Membran
es Based Upon Sulfinated and Sulfonated PSU. 2. Crosslinked PSU Blend Membranes 
By Alkylation of Sulfinate Groups With Dihalogenoalkanes." Jochen Kerres, Wei Cu
i, Martin Junginger  J. Memb. Sci. 139, 227-241 (1998)。
（非特許文献２）"New sulfonated engineering polymers via the metalation route. 2
. Sulfinated-Sulfonated Poly(ethersulfone) PSU Udel（登録商標） and Its Crosslin
king."
J. Kerres, W. Zhang, W. Cui  J. Polym. Sci.: Part A: Polym. Chem. 36, 1441-1448 
(1998)
（非特許文献３）"Syntheses of sulfinic acids"  Uri Zoller, in "The Chemistry of 
Sulphinic Acids, Esters and Their Derivatives", ed. by S. Patai, John Wiley and 
Sons, 1990, New York, S. 187f
（非特許文献４）"VIII. Reductions of Sulfonyl Derivatives" S. Oae, in "Organic S
ulfur Chemistry: Structure and Mechanism", ed. by J. T. Doi, CRC Press,  Inc., B
oca Raton, 1991, S. 334f
（非特許文献５）"Sodium p-Toluenesulfinate" F. C. Whitmore, F. H. Hamilton, in "
Organic Syntheses", Coll. Vol. I, ed by H. Gilman, 2nd ed., John Wiley and Sons,
New   York, 1956
（非特許文献６）"Lithium Aluminium Hydride Reduction of Certain Sulfonic Acid De
rivatives" L. Field, F. A. Grunwald  J. Org. Chem. 16, 946-953 (1951)
（非特許文献７）"Development and Characterization of Crosslinked Ionomer Membran
es Based Upon Sulfinated and Sulfonated PSU. 1. Crosslinked PSU Blend Membranes 
By
Disproportionation of Sulfinic Acid Groups."  Jochen Kerres, Wei Cui, Ralf Disso
n, Wolfgang Neubrand  J. Memb. Sci. 139, 211-225 (1998)
【図１】
2015057483.tif 000043
【図２】
2015057483.tif 000044
【図３】
2015057483.tif 000045
【図４】
2015057483.tif 000046
【図５】
2015057483.tif 000047
【図６】
2015057483.tif 000048
【手続補正書】
【提出日】平成26年11月14日(2014.11.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくともスルフィナート基（P-(SO2)nX、Xは、1-(n=1)、2-(n=2)又は3-(n=3)価の金
属カチオン又はH+又はアンモニウムイオンNR4+である（Rは、アルキル、アリール、Hであ
る））を大量に又は表面的に含むポリマー又はオリゴマーであり、該ポリマー又は該オリ
ゴマーは、SO2Y基（Yは、F、Cl、Br、I、OR、NR2（Rは、アルキル及び／又はアリール及
び／又はHである）、Ｎ−イミダゾール、Ｎ−ピラゾールである）を含むポリマー又はオ
リゴマーを、懸濁液又は溶液の状態で適した還元剤を用いて、大量に又は表面的に、完全
に又は部分的に還元することによって得られることを特徴とする、該ポリマー又はオリゴ
マー。
【外国語明細書】
2015057483000001.pdf