(57)【要約】【課題】固体高分子型燃料電池の電解質膜への利用が期待される新規な常温溶融塩及びその製造法を提供すること。【解決手段】一般式（１）：【化１】2004256462.tif 000012（式中、Ｒ１はアルキル基又はアラルキル基を、Ｙは酸素原子又はメチレン基を及びＡ−はビストリフルオロメタンスルホニルイミダートイオン［（ＣＦ３ＳＯ２）２Ｎ−］、テトラフルオロボレートイオン（Ｆ４Ｂ−）またはヘキサフルオロホスファートイオン（ＰＦ６−）を表す。ｍは１〜４の整数及びｎは０又は１である。）で示されるＮ−ヒドロキシアルキル飽和複素環式アンモニウム塩。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
一般式（１）：
【化１】
2004256462.tif 000008
｛式中、Ｒ１はアルキル基又はアラルキル基を、Ｙは酸素原子又はメチレン基を及びＡ−はビストリフルオロメタンスルホニルイミダートイオン［（ＣＦ３ＳＯ２）２Ｎ−］、テトラフルオロボレートイオン（Ｆ４Ｂ−）またはヘキサフルオロホスファートイオン（ＰＦ６−）を表す。ｍは１〜４の整数及びｎは０又は１である。
｝で示されるＮ−ヒドロキシアルキル飽和複素環式アンモニウム塩。
【請求項２】
一般式（２）：
【化２】
2004256462.tif 000009
（式中、Ｒ１はアルキル基又はアラルキル基を、及びＹは酸素原子又はメチレン基を表し、ｍは１〜４の整数及びｎは０又は１である。Ｘ−はハロゲンイオンを表す。）で示されるＮ−ヒドロキシアルキル飽和複素環式アンモニウム＝ハライドを一般式（３）：
ＡＭ    （３）
｛式中、Ａはビストリフルオロメタンスルホニルイミダート［（ＣＦ３ＳＯ２）２Ｎ］、テトラフルオロボレート（Ｆ４Ｂ）またはヘキサフルオロホスファート（ＰＦ６）を及びＭは水素原子又はアルカリ金属を表す。｝で示される化合物と反応させることを特徴とする請求項１記載のＮ−ヒドロキシアルキル飽和複素環式アンモニウム塩の製造方法。
【請求項３】
一般式（２）で示されるＮ−ヒドロキシアルキル飽和複素環式アンモニウム＝ハライドが、一般式（４）：
【化３】
2004256462.tif 000010
（式中、Ｒ１はアルキル基又はアラルキル基を及びＹは酸素原子又はメチレン基を表す。ｎは０又は１である。）で示される飽和複素環式アミン類を一般式（５）：
【化４】
2004256462.tif 000011
（式中、Ｘはハロゲン原子を表す。ｍは１〜４の整数である。）で示されるハロゲノアルキルアルコールと反応させて得られたものである請求項２記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は新規なＮ−ヒドロキシアルキル飽和複素環式アンモニウム塩及びその製造法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
本発明のＮ−ヒドロキシアルキル飽和複素環式アンモニウム塩は、文献未記載の新規な化合物である。
【０００３】
近年、常温（常温は２５℃を意味する。以下同じ。）において液状を示す第四級アンモニウム塩（以下、常温溶融塩という。）が、固体高分子型燃料電池の電解質膜、有機合成反応溶媒等において使用されることから注目を浴び、新しい常温溶融塩が種々提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００４】
【非特許文献１】
Ｍ．Ｗａｔａｎａｂｅ，Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｉｍ．Ａｃｔａ，４５，１２６５−１２７０（２０００）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、固体高分子型燃料電池の電解質膜への利用が期待できる、プロトン伝導能を付与した新規な常温溶融塩及びその製造法を提供することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは上記課題を解決するために鋭意検討を行ったところ、上記課題を解決し得る新規な常温溶融塩である、カチオン成分を構成する窒素原子に結合した置換基としてヒドロキシアルキル基を有する含窒素飽和複素環式アンモニウム塩を見出し、本発明を完成するに至った。
【０００７】
即ち、本発明は、一般式（１）：
【０００８】
【化５】
2004256462.tif 000002
【０００９】
｛式中、Ｒ１はアルキル基又はアラルキル基を、Ｙは酸素原子又はメチレン基を及びＡ−はビストリフルオロメタンスルホニルイミダートイオン〔（ＣＦ３ＳＯ２）２Ｎ−〕、テトラフルオロボレートイオン（Ｆ４Ｂ−）またはヘキサフルオロホスファートイオン（ＰＦ６−）を表す。ｍは１〜４の整数及びｎは０又は１である。
｝で示されるＮ−ヒドロキシアルキル飽和複素環式アンモニウム塩〔以下、Ｎ−ヒドロキシアルキル飽和複素環式アンモニウム塩（１）という。〕、並びに一般式（２）：
【００１０】
【化６】
2004256462.tif 000003
【００１１】
（式中、Ｒ１、Ｙ、ｍ、ｎ及びＸ−は前記に同じ。）で示されるＮ−ヒドロキシアルキル飽和複素環式アンモニウム＝ハライド〔以下、Ｎ−ヒドロキシアルキル飽和複素環式アンモニウム＝ハライド（２）という。〕を一般式（３）：
【００１２】
ＡＭ    （３）
｛式中、Ａはビストリフルオロメタンスルホニルイミダート〔（ＣＦ３ＳＯ２）２Ｎ〕、テトラフルオロボレート（Ｆ４Ｂ）またはヘキサフルオロホスファート（ＰＦ６）を及びＭは水素原子又はアルカリ金属を表す。｝で示される化合物（以下、化合物（３）という。）と反応させることを特徴とするＮ−ヒドロキシアルキル飽和複素環式アンモニウム塩（１）の製造方法に関する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
【００１４】
本発明のＮ−ヒドロキシアルキル飽和複素環式アンモニウム塩（１）は、上記一般式（１）で表される化合物であり、一般式（１）中のＲ１はアルキル基又はアラルキル基を、Ｙは酸素原子又はメチレン基を及びＡ−はビストリフルオロメタンスルホニルイミダートイオン〔（ＣＦ３ＳＯ２）２Ｎ−〕、テトラフルオロボレートイオン（Ｆ４Ｂ−）またはヘキサフルオロホスファートイオン（ＰＦ６−）を表し、並びにｍは１〜４の整数及びｎは０又は１である。Ｒ１で表されるアルキル基としては、炭素数１〜１８の直鎖状又は分岐鎖状のアルキル基が挙げられ、好ましくは炭素数１〜６の直鎖状又は分岐鎖状のアルキル基であり、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基等が挙げられ、好ましくはメチル基である。またアラルキル基としてはそれぞれベンゼン環にメチル基、エチル基等の低級アルキル基を１個以上有していてもよいベンジル基、１−フェネチル基、２−フェネチル基などが挙げられ、好ましくはベンジル基である。
【００１５】
好ましいＮ−ヒドロキシアルキル飽和複素環式アンモニウム塩（１）は、一般式（６）：
【００１６】
【化７】
2004256462.tif 000004
【００１７】
（式中、Ｒ１はアルキル基を表す。Ｙ、Ａ−およびｎは前記に同じ。）で示されるＮ−ヒドロキシアルキル飽和複素環式アンモニウム塩である。
【００１８】
好ましいＮ−ヒドロキシアルキル飽和複素環式アンモニウム塩（１）の具体例としては、Ｎ−（２−ヒドロキシエチル）−Ｎ−メチルピロリジニウム＝ビストリフルオロメタンスルホニルイミダート、Ｎ−（２−ヒドロキシエチル）−Ｎ−メチルピペリジニウムイオン＝ビストリフルオロメタンスルホニルイミダート、Ｎ−（２−ヒドロキシエチル）−Ｎ−メチルモルフォリニウム＝ビストリフルオロメタンスルホニルイミダート、Ｎ−（２−ヒドロキシエチル）−Ｎ−メチルピロリジニウム＝テトラフルオロボレート、Ｎ−（２−ヒドロキシエチル）−Ｎ−メチルピペリジニウムイオン＝テトラフルオロボレート、Ｎ−（２−ヒドロキシエチル）−Ｎ−メチルモルフォリニウム＝テトラフルオロボレート、Ｎ−（２−ヒドロキシエチル）−Ｎ−メチルピロリジニウム＝ヘキサフルオロホスファート、Ｎ−（２−ヒドロキシエチル）−Ｎ−メチルピペリジニウムイオン＝ヘキサフルオロホスファート、Ｎ−（２−ヒドロキシエチル）−Ｎ−メチルモルフォリニウム＝ヘキサフルオロホスファート等が挙げられる。
【００１９】
特に好ましくはＮ−（２−ヒドロキシエチル）−Ｎ−メチルピロリジニウム＝ビストリフルオロメタンスルホニルイミダート、Ｎ−（２−ヒドロキシエチル）−Ｎ−メチルピペリジニウムイオン＝ビストリフルオロメタンスルホニルイミダート、Ｎ−（２−ヒドロキシエチル）−Ｎ−メチルモルフォリニウム＝ビストリフルオロメタンスルホニルイミダートであり、これらは室温で低粘度のため常温溶融塩として特に有用である。
【００２０】
本発明のＮ−ヒドロキシアルキル飽和複素環式アンモニウム塩（１）は、種々の方法で製造することができる。好ましい製造法としては、Ｎ−ヒドロキシアルキル飽和複素環式アンモニウム＝ハライド（２）を化合物（３）と反応させてＮ−ヒドロキシアルキル飽和複素環式アンモニウム＝ハライド（２）のハロゲンイオンをビストリフルオロメタンスルホニルイミダートイオン［（ＣＦ３ＳＯ２）２Ｎ−  ］、テトラフルオロボラートイオン（Ｆ４Ｂ−）又はヘキサフルオロホスファートイオン（ＰＦ６−）にイオン交換することによって製造する方法が挙げられる。
【００２１】
Ｎ−ヒドロキシアルキル飽和複素環式アンモニウム＝ハライド（２）のハロゲンイオンとしては、塩素イオン、臭素イオン、ヨウ素イオン等が挙げられる。
【００２２】
化合物（３）としては、ビストリフルオロメチルスルホニルイミド酸［（ＣＦ３ＳＯ２）２ＮＨ］、テトラフルオロ硼酸（ＨＢＦ４）、ヘキサフルオロリン酸（ＨＰＦ６）、およびそれらのアルカリ金属塩（例えば、リチウム塩、ナトリウム塩、カリウム塩等）が挙げられる。化合物（３）の使用量は、Ｎ−ヒドロキシアルキル飽和複素環式アンモニウム（２）１モルに対して１．０モル〜１．２モル好ましくは    １．０１モル〜１．０５モルである。
【００２３】
イオン交換は、次のようにして行う。Ｎ−ヒドロキシアルキル飽和複素環式アンモニウム＝ハライド（２）と化合物（３）とをＮ−ヒドロキシアルキル飽和複素環式アンモニウム＝ハライド（２）１重量部に対して１重量部〜１０重量部好ましくは１重量部〜４重量部の水中で１０℃〜６０℃好ましくは１０℃〜３０℃で１時間〜２４時間好ましくは１時間〜４時間混合し、得られた水溶液に水との溶解性が低い有機溶媒（例えば、酢酸エチル、塩化メチレン等）をＮ−ヒドロキシアルキル飽和複素環式アンモニウム＝ハライド（２）１重量部に対して１重量部〜１０重量部、好ましくは１重量部〜４重量部加えて混合する。その後、水層と有機層を分液すれば、有機層としてＮ−ヒドロキシアルキル飽和複素環式アンモニウム塩（１）の溶液が得られる。得られた有機層を所望により水洗し、次いで有機溶媒を留出除去すれば残渣としてＮ−ヒドロキシアルキル飽和複素環式アンモニウム塩（１）が得られる。
【００２４】
Ｎ−ヒドロキシアルキル飽和複素環式アンモニウム＝ハライド（２）は、一般式（４）：
【００２５】
【化８】
2004256462.tif 000005
【００２６】
（Ｒ１、Ｙ及びｎは前記に同じ。）で示される飽和複素環式アミン類（以下、飽和複素環式アミン類（４）という）を一般式（５）：
【００２７】
【化９】
2004256462.tif 000006
【００２８】
（式中、Ｘ及びｍは前記に同じ。）で示されるハロゲノアルキルアルコール（以下、ハロゲノアルキルアルコール（５）という。）と反応させれば製造することができる。
【００２９】
飽和複素環式アミン類（４）としては、例えば、Ｎ−メチルピペリジン、Ｎ−エチルピペリジン等のＮ−アルキルピペリジン、Ｎ−メチルピロリジン、Ｎ−エチルピロリジン等のＮ−アルキルピロリジン、Ｎ−メチルモルフォリン、Ｎ−エチルモルフォリン等のＮ−アルキルモルフォリン等を挙げることができ、好ましくはＮ−アルキルピロリジンである。
【００３０】
またハロゲノアルキルアルコール（５）としては、例えば、２−ブロモエタノール、２−クロロエタノール、４−ブロモブタノール等が挙げられ、好ましくは２−ブロモエタノールである。ハロゲノアルキルアルコール（５）の使用量は、飽和複素環式アミン類（４）１モルに対して１モル以上であればよく、好ましくは１．１−２．０モルである。
【００３１】
飽和複素環式アミン類（４）とハロゲノアルキルアルコール（５）の反応は、通常溶媒中で行われる。溶媒としては、メタノール、エタノール、イソプロパノール等のアルコール類、アセトニトリル、酢酸エチル、テトラヒドロフラン、ジメチルホルムアミド等が挙げられる。溶媒の使用量は特に制限はないが、飽和複素環式アミン類（４）１重量部に対して通常１〜１０重量部、好ましくは２〜５重量部である。
【００３２】
飽和複素環式アミン類（４）とハロゲノアルキルアルコール（５）の反応を実施するには、例えば、飽和複素環式アミン類（４）、ハロゲノアルキルアルコール（５）及び溶媒の混合物を、反応に使用する溶媒の種類にもよるが、通常２０℃以上、好ましくは６０℃〜１２０℃にて攪拌するだけでよい。反応時間は通常４〜１２時間である。
【００３３】
このようにしてＮ−ヒドロキシアルキル飽和複素環式アンモニウム＝ハライド（２）を含む反応混合物を得た後、得られた反応混合物を濃縮乾固してＮ−ヒドロキシアルキル飽和複素環式アンモニウム＝ハライド（２）を主成分とする残渣を得る。次いで残渣を有機溶媒（例えば、エチルエーテル、酢酸エチル、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン等）と混合し、残渣に含まれる未反応原料等を有機溶媒に溶解した後、濾過する。このようにすると濾滓として高純度のＮ−ヒドロキシアルキル飽和複素環式アンモニウム＝ハライド（２）が得られる。
【００３４】
【実施例】
以下に実施例を示し、本発明を更に具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００３５】
実施例１
Ｎ−メチルピペリジン２０ｇ（０．２０モル）、２−ブロモエタノール３０ｇ（０．２４モル）及びアセトニトリル４０ｇの混合物を、８０℃で２４時間攪拌して反応させた。反応終了後、得られた反応混合物を濃縮し、残渣にメチルエチルケトン５０ｇを加えて固形物を洗浄し、濾過した。濾滓を減圧下に乾燥してＮ−（２−ヒドロキシエチル）−Ｎ−メチルピペリジニウム＝ブロミド３５．４ｇ（０．１５８モル）を得た。
【００３６】
このようにして得たＮ−（２−ヒドロキシエチル）−Ｎ−メチルピペリジニウム＝ブロミド３５．４ｇ（０．１５８モル）を水１００ｇに溶解させ、トリフルオロメチルスルホニルイミド酸リチウム〔（Ｆ３ＣＳＯ２）２ＮＬｉ〕４５．８ｇ（０．１６０モル）を混合して１時間室温で攪拌し、得られた混合物に塩化メチレン１００ｇを加えて混合した後、分液して得られた有機層を水５０ｇで２回洗浄した。その後有機層から塩化メチレンを留去して油状のＮ−（２−ヒドロキシエチル）−Ｎ−メチルピペリジニウム＝ビストリフルオロメチルスルホンイミダート４７ｇ（０．１１１モル、収率５５．３％）を得た。得られたＮ−（２−ヒドロキシエチル）−Ｎ−メチルピペリジニウム＝ビストリフルオロメチルスルホンイミダートのＮＭＲの分析結果を次に示す。
【００３７】
１Ｈ−ＮＭＲ（ＣＤＣｌ３）δ  ｐｐｍ：３．９９（ｂｓ、２Ｈ）、３．４３−３．２８（ｍ、７Ｈ）、３．０８（ｓ、３Ｈ）、１．８７−１．８４（ｂｍ、４Ｈ）、１．６６−１．６４（ｂｍ、２Ｈ）
【００３８】
このアンモニウム塩の粘度、電位窓およびイオン伝導度を表１に示す。なお、粘度はＥ型粘度計、電位窓はＣＶ−５０（ビー・エー・エス株式会社製）を使用したＣＶ測定〔ＲＥ：ＳＣＥ、ＷＥ：ＧＣ（直径３ｍｍ）、ＣＥ：Ｐｔ、Ｓｃａｎ  ｒａｔｅ：１０ｍＶ／ｓ〕にて、イオン伝導度は卓上電導度計ＣＭ−３０Ｓ（東亜ディーケーケー株式会社製）を使用してそれぞれ測定した。
【００３９】
実施例２
実施例１においてＮ−メチルピペリジンに代えてＮ−メチルピロリジン１７ｇ（０．２０モル）を使用した以外は実施例１と同様に行い、油状のＮ−（２−ヒドロキシエチル）−Ｎ−メチルピロリジニウム＝ビストリフルオロメチルスルホンイミダート４３ｇ（０．１０４モル、収率５２．０％）を得た。得られたＮ−エトキシエチル−Ｎ−メチルピロリジニウム＝ビストリフルオロメチルスルホンイミダートのＮＭＲの測定結果を次に示す。
【００４０】
１Ｈ−ＮＭＲ（ＣＤＣｌ３）δ  ｐｐｍ：３．９６（ｂｓ、２Ｈ）、３．４９（ｍ、４Ｈ）、３．４２−３．３８（ｍ、３Ｈ）、３．０３（ｓ、３Ｈ）、２．１７（ｂｍ、４Ｈ）
【００４１】
このアンモニウム塩の粘度、電位窓およびイオン伝導度を実施例１と同様にして測定しその結果を表１に示す。
【００４２】
【表１】
2004256462.tif 000007
【００４３】
【発明の効果】
本発明によれば、固体高分子型燃料電池の電解質膜への利用が期待され得る、プロトン伝導能を有する新規な常温溶融塩及びその製造方法を提供できる。