(57)【要約】以下の化学構造を有する物質の組成物：2018522811.tif 000016  上記式中、ｘは３以上の奇数の整数であり；  ｙは１〜２０の整数であり；  Ｚは−１〜−３の電荷を有する第１４族〜第１７族の単原子イオンの１つであるか、または、−１〜−３の電荷を有する多原子イオンである。【特許請求の範囲】
【請求項１】
以下の化学構造を有する物質の組成物：
【化１】
2018522811.tif 000013
上記式中、ｘは３以上の奇数の整数であり；
ｙは１〜２０の整数であり；
Ｚは−１〜−３の電荷を有する第１４族〜第１７族の単原子イオンの１つであるか、または、−１〜−３の電荷を有する多原子イオンである。
【請求項２】
ｘが３〜１１の整数であり、ｙが１〜１０の整数である、請求項１に記載の物質の組成物。
【請求項３】
前記多原子イオンが−２以上の電荷を有する、請求項１に記載の物質の組成物。
【請求項４】
Ｚが硫酸イオン、炭酸イオン、リン酸イオン、シュウ酸イオン、クロム酸イオン、重クロム酸イオン、ピロリン酸イオン、およびこれらの混合物からなる群から選択される、請求項３に記載の物質の組成物。
【請求項５】
以下の少なくとも１つの化学量論的にバランスのとれた化学組成からなる、請求項１に記載の物質の組成物：水素（１＋）、トリアクア−μ３−オキソトリ硫酸塩（１：１）；水素（１＋）、トリアクア−μ３−オキソトリ炭酸塩（１：１）；水素（１＋）、トリアクア−μ３−オキソトリリン酸塩（１：１）；水素（１＋）、トリアクア−μ３−オキソトリシュウ酸塩（１：１）；水素（１＋）、トリアクア−μ３−オキソトリクロム酸塩（１：１）；水素（１＋）、トリアクア−μ３−オキソトリ重クロム酸塩（１：１）；水素（１＋）、トリアクア−μ３−オキソトリピロリン酸塩（１：１）；およびこれらの混合物。
【請求項６】
以下の化学構造を有する物質の組成物：
【化２】
2018522811.tif 000014
上記式中、ｘは３以上の奇数の整数であり；
ｙは１〜２０の整数であり；
Ｚは−１〜−３の電荷を有する第１４族〜第１７族の単原子イオンの１つであるか、または、−１〜−３の電荷を有する多原子イオンである。
【請求項７】
ｘが３〜１１の整数であり、ｙが１〜１０の整数である、請求項６に記載の物質の組成物。
【請求項８】
前記多原子イオンが−２以上の電荷を有する、請求項６に記載の物質の組成物。
【請求項９】
Ｚが硫酸イオン、炭酸イオン、リン酸イオン、シュウ酸イオン、クロム酸イオン、重クロム酸イオン、ピロリン酸イオン、およびこれらの混合物からなる群から選択される、請求項８に記載の物質の組成物。
【請求項１０】
以下の少なくとも１つの化学量論的にバランスのとれた化学組成からなる、請求項６に記載の物質の組成物：水素（１＋）、トリアクア−μ３−オキソトリ硫酸塩（１：１）；水素（１＋）、トリアクア−μ３−オキソトリ炭酸塩（１：１）；水素（１＋）、トリアクア−μ３−オキソトリリン酸塩（１：１）；水素（１＋）、トリアクア−μ３−オキソトリシュウ酸塩（１：１）；水素（１＋）、トリアクア−μ３−オキソトリクロム酸塩（１：１）；水素（１＋）、トリアクア−μ３−オキソトリ重クロム酸塩（１：１）；水素（１＋）、トリアクア−μ３−オキソトリピロリン酸塩（１：１）；およびこれらの混合物。
【請求項１１】
式：
【化３】
2018522811.tif 000015
上記式中、ｘは３以上の奇数の整数であり；
ｙは１〜２０の整数であり；
Ｚは多原子イオンである；を有する化学組成物と、
極性溶媒と、を含み、
前記化学組成物の少なくとも一部は、Ｈ９Ｏ４＋：ＳＯ４Ｈと、安定なヒドロニウム（Ｈ３Ｏ＋）クラスターを含む作用架橋配位子との配位した結合体においてＨ９Ｏ４＋として存在する、化学製剤。
【請求項１２】
ｘが３〜１１の整数であり、ｙが１〜１０の整数である、請求項１１に記載の化学製剤。
【請求項１３】
Ｚが−２以上の電荷を有する多原子イオンから選択される、請求項１２に記載の化学製剤。
【請求項１４】
前記極性溶媒が、水、１〜４の炭素原子を有する短鎖アルコールおよびこれらの混合物からなる群から選択される、請求項１１に記載の化学製剤。
【請求項１５】
以下の少なくとも１つの化学量論的にバランスのとれた化学組成からなる、請求項１１に記載の化学組成物：水素（１＋）、トリアクア−μ３−オキソトリ硫酸塩（１：１）；水素（１＋）、トリアクア−μ３−オキソトリ炭酸塩（１：１）；水素（１＋）、トリアクア−μ３−オキソトリリン酸塩（１：１）；水素（１＋）、トリアクア−μ３−オキソトリシュウ酸塩（１：１）；水素（１＋）、トリアクア−μ３−オキソトリクロム酸塩（１：１）；水素（１＋）、トリアクア−μ３−オキソトリ重クロム酸塩（１：１）；水素（１＋）、トリアクア−μ３−オキソトリピロリン酸塩（１：１）；およびこれらの混合物。
【請求項１６】
安定な電解質が、約０．０５体積％〜約５０体積％存在する、請求項１１に記載の化学製剤。
【請求項１７】
安定な電解質が、実効ｐＫａを０〜５とするのに十分な量で存在する、請求項１１に記載の化学製剤。
【請求項１８】
安定な電解質が、約１体積ｐｐｍ〜約２５体積％の実効ヒドロニウムイオン濃度とするのに十分な量で存在する、請求項１１に記載の化学製剤。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１５年４月２３日に提出された米国仮出願番号第６２／１５２，００９号に対して優先権を主張するものである。
【背景技術】
【０００２】
発明の分野
本発明は、得られる溶液を初期の溶液組成に応じて酸性または塩基性にすることができる種々の水溶液に組み込むことができる物質の組成物に関する。
【０００３】
２つの異なった電荷タイプ、すなわち、正に帯電したカチオン（＋）のモル数と負に荷電したアニオン（−）のモル数とが化学量論的に電荷バランスがとれ、安定した電荷の中性水溶液を生成すると、閉じた系の内部エネルギーが安定するという科学的事実は、熱力学の法則に基づいて、長く受け入れられている。中性溶液中の静電荷タイプは、同数の負の静電荷（−）によってバランスされる正の静電荷（＋）を必然的に有することが広く認識されている。しかしながら、酸性水溶液に関して実施された研究は、様々な溶液が酸性プロトンイオンを処理し、過剰にしうることを示している。
【０００４】
この現象は、水分子が溶液中に存在する不均衡な電荷を安定化するのに有効であるという結論を支持する。水溶液中に存在する水分子は、任意の不均衡な電荷を安定化させ、電荷のバランスがとれた溶液を生じると考えられている。この結果は熱力学の法則に適合し、水分子の孤立電子対からなり、電荷の均衡をとる新しいタイプの求核試薬(charge balancing neucleophile)の存在を強く示唆する。
【０００５】
不均衡な電荷の存在が仮定されているが、水分子の様々な種が過渡状態(transient states)で存在する可能性がある。複雑な水分子の安定した形態は、これらが同定され生成されるならば、望ましい特徴および特性を有すると考えられている。したがって、独立して使用することができ、または溶液材料において使用することができる安定した電解質材料を製造することが望ましいであろう。
【発明の概要】
【０００６】
本明細書中、以下の化学構造を有する物質の組成物が開示される：
【０００７】
【化１】
2018522811.tif 000002
【０００８】
上記式中、ｘは３以上の奇数の整数であり；
ｙは１〜２０の整数であり；
Ｚは多原子イオンまたは単原子イオンである。
【０００９】
また、以下の化合物：
【００１０】
【化２】
2018522811.tif 000003
【００１１】
上記式中、ｘは３以上の奇数の整数であり；
ｙは１〜２０の整数であり；
Ｚは多原子イオンまたは単原子イオンである；および溶媒を含む溶液もまた開示される。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
詳細な説明
オキソニウムイオン由来の複合体(complex)として広く解釈される、水溶液中で使用することができる新規な電解質が本明細書中に開示される。本明細書で定義される「オキソニウムイオン複合体(oxonium ion complex)」は、一般に、少なくとも１つの３価の酸素結合(trivalent oxygen bond)を有する正の酸素カチオンとして定義される。ある実施形態において、酸素カチオンは、１つ、２つおよび３つの３価結合酸素カチオン(trivalently bonded oxygen cation)から主に構成され、上記カチオンの混合物として存在する集団として、または、１つ、２つおよび３つの３価結合酸素カチオンのみを有する物質として、水溶液中に存在する。３価の酸素カチオンを有するオキソニウムイオンの非限定的な例としては、ヒドロニウムイオンの少なくとも１つを挙げることができる。
【００１３】
ある実施形態では、酸素カチオンは、１つ、２つおよび３つの３価結合酸素アニオン(trivalently bonded oxygen anion)から主に構成され、上記アニオンの混合物として存在する集団として、または、１つ、２つまたは３つの３価結合酸素アニオンのみを有する材料として、水溶液中に存在すると考えられる。
【００１４】
本明細書に開示される物質の組成物が水性溶媒または有機溶媒などの溶媒と混合される場合、得られる組成物は、ヒドロニウムイオン、ヒドロニウムイオン複合体およびこれらの混合物より構成されうる溶液である。適当なカチオン性物質は、ヒドロキソニウムイオン複合体とも称されうる。物質の組成物およびこれを含む溶液は、低いｐＨ値が求められる様々な用途において有用性を有しうる。本明細書に開示される化合物および材料はまた、特定の洗浄および消毒用途に限定されない様々な状況において適用性を有しうる。
【００１５】
極微量のカチオン性ヒドロニウムが、水素イオンの存在下で水分子から水中に自発的に形成しうることが理論化されている。いずれの理論にも拘束されることなく、天然に存在するヒドロニウムイオンは極めてまれであると考えられている。水中の天然に存在するヒドロニウムイオンの濃度は、４８０，０００，０００分の１以下であると推定される。ヒドロニウムイオンがたとえ生じたとしても、ヒドロニウムイオン化合物は非常に不安定である。天然に存在するヒドロニウムイオンは、典型的にはナノ秒の範囲の寿命を有する不安定な遷移化学種であると理論付けられている。天然に存在するヒドロニウムイオン種は反応性であり、水によって容易に溶媒和され、したがってこれらのヒドロニウムイオン（ヒドロン;hydron）は遊離状態では存在しない。
【００１６】
本明細書に開示される安定なヒドロニウム材料は、純水に導入された際、識別できる状態で残存するものである。本明細書に開示されている安定なヒドロニウム材料は、水分子と複合体を形成して（錯形成して）様々な形状の水和ケージを形成することができると考えられており、その非限定的な例は以下でより詳細に説明する。本明細書に開示される安定な電解質材料は、水溶液などの極性溶媒中に導入されたとき安定であり、望ましくはまたは必要に応じてこれに付随する溶媒から単離することができる。
【００１７】
例えばｐＫａ≧１．７４であるものといった従来の強い有機酸および無機酸は、水に添加されると、水溶液中で完全にイオン化する。このように生成されたイオンは、存在する水分子をプロトン化してＨ３Ｏ＋を形成し、安定なクラスターを会合させる。例えばｐＫａ＜１．７４であるものといったより弱い酸は、水溶液に加えたときに、水溶液中において完全ではないもののイオン化し、特定の用途において有用性を有しうる。したがって、安定な電解質材料を製造するために用いられる酸物質は、１以上の酸の組み合わせでありうると考えられる。ある実施形態では、酸物質は、より弱い酸と共に、１．７４以上のｐＫａを有する少なくとも１つの酸を含む。
【００１８】
本開示において、本明細書で定義される安定なヒドロニウム電解質材料が水溶液に添加されたときに、極性溶媒を生成し、その溶液中に当初存在する水素イオン濃度とは無関係に、対応する溶液に添加された安定なヒドロニウム物質の量に依存する実効ｐＫａを与えることが、全く予想外に見いだされた。得られる溶液は、極性溶媒として機能することができ、安定なヒドロニウム物質の添加前の初期溶液ｐＨが６〜８である場合には、特定の用途において０〜５の実効ｐＫａを示すことができる。
【００１９】
本明細書で開示される安定な電解質材料は、得られる溶媒のｐＨおよび／または得られる溶液の実効もしくは実際のｐＫａを効果的に調整するために、アルカリ性範囲にある、例えば８〜１２の初期ｐＨを有する溶液に添加することができると考えられる。本明細書で開示される安定な電解質材料の添加は、発熱性、酸化など、これらに限定されない知覚可能な反応特性を伴わずに、アルカリ溶液に添加することができる。
【００２０】
水性自己解離(aqueous auto-dissociation)の結果として水中に存在する理論的なヒドロニウムイオンの酸性度は、水中の酸の濃度を判断するために用いられる間接的な尺度である。強酸は、理論上のヒドロニウムイオン材料よりも良好なプロトンドナーと考えられ、そうでなければ、酸のかなりの部分が非イオン化状態で存在するであろう。先に示したように、水性自己解離(aqueous auto-dissociation)に由来する理論的なヒドロニウムイオンは、種として不安定であり、その発生は確率的で、仮に存在するとしても、これに付随する水溶液中において極端に低濃度で存在しうる。一般に、水溶液中のヒドロニウムイオンは、４８０，０００，０００分の１未満の濃度で存在し、単離することができるが、仮にそうであったとしても、例えばＨＦ−ＳｂＦ５ＳＯ２のような構造にある超酸溶液に結合したモノマーとして固相または液相有機合成(liquid phase organosynthesis)によって自然の水溶液から単離されうる。このような物質は、極めて低濃度でしか単離することができず、単離すると容易に分解する。
【００２１】
これとは対照的に、本明細書で開示される安定なヒドロニウム材料は、長期間持続し、続いて、望ましくはまたは必要に応じて溶液から単離することができる、濃縮されたヒドロニウムイオンの供給源を提供する。
【００２２】
ある実施形態において、物質の組成物は、以下の化学構造を有する：
【００２３】
【化３】
2018522811.tif 000004
【００２４】
上記式中、ｘは３〜１１の奇数の整数であり；
ｙは１〜１０の整数であり；
Ｚは多原子または単原子イオンである。
【００２５】
多原子イオンＺは、１つ以上のプロトンを供与する能力を有する酸に由来するイオンから誘導することができる。付随する酸は、２３℃でｐＫａ≧１．７の値を有するものでありうる。用いられる多原子イオンＺは、＋２以上の電荷を有するものでありうる。そのような多原子イオンの非限定的な例として、硫酸イオン、炭酸イオン、リン酸イオン、シュウ酸イオン、クロム酸イオン、重クロム酸イオン、ピロリン酸イオン、およびこれらの混合物が挙げられる。ある実施形態では、多原子イオンは、ｐＫａ値≦１．７を有する酸に由来するイオンを含む多原子イオンを含む混合物から誘導することができると考えられる。
【００２６】
本明細書に開示される安定な電解質材料は、標準的な温度および圧力下で安定であり、油性の液体として存在しうる。安定な電解質材料を水または他の極性溶媒に添加して、１ｐｐｍを超える実効濃度の安定なヒドロニウムイオンを含む極性溶液を生成することができる。ある実施形態では、本明細書に開示される安定な電解質材料は、適切な水性溶媒または有機溶媒と混合されたときに、１０〜１００ｐｐｍよりも大きい濃度の安定なヒドロニウムイオン物質の実効濃度を提供することができる。
【００２７】
全く予想外なことに、本明細書に開示された安定な電解質材料の添加により得られ、溶液中に存在するヒドロニウムイオン複合体は、総酸に対する遊離酸の比が付随して変化することなく、得られる溶媒材料の酸機能性(acid functionality)を変化させることが見出された。酸機能性の変化としては、例えば、測定されたｐＨの変化、遊離酸対総酸の比の変化、比重の変化およびレオロジーのような特性が挙げられる。初期ヒドロニウムイオン複合体(initial hydronium ion complex)を含む安定な電解質材料の製造に用いられる現存の酸物質と比較して、スペクトルおよびクロマトグラフィーの結果の変化もまた注目される。本明細書に開示される安定な電解質材料の添加は、遊離酸対総酸の比において観察される変化と相関しないｐＫａの変化をもたらす。
【００２８】
このように、本明細書に開示される安定なヒドロニウム電解質材料を、初期ｐＨが６〜８である水溶液に添加すると、実効ｐＫａが０〜５である溶液が得られる。また、得られる溶液のｐＫａは、カロメル電極、特定イオンＯＲＰプローブによって測定された場合、０より小さい値となりうると解される。本明細書で使用される用語「実効ｐＫａ」は、得られる溶媒中に存在する利用可能な総ヒドロニウムイオン濃度の尺度である。したがって、物質のｐＨおよび／またはその関連するｐＫａは、これ（ら）を測定したとき、−３〜７の数値を示す可能性がある。
【００２９】
典型的には、溶液のｐＨは、そのプロトン濃度の尺度であるか、または−ＯＨ部分の反比例としての尺度である。本明細書で開示される安定な電解質材料は、極性溶液に導入されると、水素プロトンとヒドロニウムイオン電解質材料および／またはその付随する格子もしくはケージとの、少なくとも部分的な配位を容易にすると考えられる。このように、導入された安定なヒドロニウムイオンは、水素イオンを伴って、導入された水素の選択的な官能性(functionality)を可能にする状態で存在する。
【００３０】
より具体的には、本明細書に開示される安定な電解質材料は、以下の一般式を有しうる：
【００３１】
【化４】
2018522811.tif 000005
【００３２】
ｘは３以上の奇数の整数であり；
ｙは１〜２０の整数であり；
Ｚは−１〜−３の電荷を有する第１４族〜第１７族の単原子イオンの１つであるか、または、−１〜−３の電荷を有する多原子イオンである。
【００３３】
本明細書に開示される物質の組成物において、Ｚとして用いられうる単原子成分としては、例えば、フッ化物イオン、塩化物イオン、ヨウ化物イオンおよび臭化物イオンなどの第１７族ハロゲン化物イオン；窒化物イオンおよびリン化物イオンなどの第１５族材料、ならびに酸化物イオンおよび硫化物イオンなどの第１６族材料が挙げられる。多原子成分としては、例えば、炭酸イオン、炭酸水素イオン、クロム酸イオン、シアン化物イオン、窒化物イオン、硝酸イオン、過マンガン酸イオン、リン酸イオン、硫酸イオン、亜硫酸イオン、亜塩素酸イオン、過塩素酸イオン、臭化水素酸(hydrobromite)イオン、臭化物イオン、臭素酸イオン、ヨウ化物イオン、硫酸水素イオン、亜硫酸水素イオンが挙げられる。物質の組成物は、上に列挙した物質に対して単一物質から構成されてもよいし、または、列挙した化合物の１つ以上の組み合わせから構成されてもよいと考えられる。
【００３４】
ある実施形態において、ｘは３〜９の整数であり、他の実施形態では、ｘは３〜６の整数であることも考えられる。
【００３５】
ある実施形態では、ｙは１〜１０の整数であり；他の実施形態では、ｙは１〜５の整数である。
【００３６】
ある実施形態において、本明細書に開示される物質の組成物は、以下の式を有しうる：
【００３７】
【化５】
2018522811.tif 000006
【００３８】
ｘは３〜１２の奇数の整数であり；
ｙは１〜２０の整数であり；
Ｚは−１〜−３の電荷を有する第１４族〜第１７族の単原子イオンの１つであるか、または、−１〜−３の電荷を有する多原子イオンである。ある実施形態では、ｘは３〜９であり、ｙは１〜５の整数である。
【００３９】
物質の組成物は、値ｘが３より大きい整数の平均分布であり、好ましくは、３〜１０の整数である異性体分布として存在することが考えられる。
【００４０】
本明細書に開示される物質の組成物は、適当な無機酸に適当な無機水酸化物を添加することによって形成することができる。上記無機酸は、約１．１８〜１．９３の比重を有し；２２〜７０°ボーメ(baume)の密度を有していてもよい。ある実施形態では、無機酸は、１．５３〜１．８５の比重を有し；５０〜６７°ボーメの密度を有すると考えられる。無機酸は、単原子酸または多原子酸のいずれかでありうる。
【００４１】
用いられる無機酸は、同質であってもよく、または規定されたパラメータの範囲内にある種々の酸化合物の混合物であってもよい。酸は、意図されたパラメータから外れる酸化合物を１つ以上含む混合物であってもよいが、他の物質と組み合わせると、規定された範囲内の平均酸組成値を与えることも考えられる。用いられる無機酸または酸は、任意の適当な等級または純度のものでありうる。場合によっては、技術グレード(tech grade)および／または食品グレードの材料を様々な用途において適切に使用することができる。
【００４２】
本明細書に開示される安定な電解質材料を調製する際に、無機酸は、任意の適切な体積の液体の形態で、任意の適切な反応容器中に収められうる。様々な実施形態において、反応容器は、適切な容量の非反応性ビーカーでありうることが意図される。用いられる酸の量は、５０ｍＬほどの小さいものであってもよい。最大５０００ガロン、あるいはそれよりも大きな体積もまた、本開示の範囲内にあると考えられる。
【００４３】
無機酸は、室温または室温付近といった適切な温度で反応容器中に保持されうる。初期の無機酸を約２３〜約７０℃の範囲に維持することは、本開示の範囲内である。しかしながら、１５〜約４０℃の範囲内のより低い温度を採用することもできる。
【００４４】
無機酸は、プロセスの特定の用途において採用される１〜２．５ＨＰの機械的エネルギーを与える撹拌レベルで、適切な手段によって撹拌され、約０．５ＨＰ〜３ＨＰの範囲の機械エネルギーが付与される。撹拌は、種々の適当な機械的手段によって行うことができ、当該機械的手段としては、例えば、ＤＣサーボドライブ、電気インペラ、磁気撹拌器、化学インダクタ(chemical inductor)などが挙げられるが、これに限定されない。
【００４５】
撹拌は、水酸化物の添加の直前に間隔をあけて開始してもよく、また、水酸化物導入工程の少なくとも一部の間に、間隔をあけて継続してもよい。
【００４６】
本明細書に開示される方法において、選択される酸物質は、少なくとも７以上の平均モル濃度（Ｍ）を有する濃酸であってもよい。ある手順では、平均モル濃度は少なくとも１０以上であり；特定の用途では、７〜１０の平均モル濃度が有用である。用いられる選択された酸物質は、純粋な液体、液体スラリー、または本質的に濃縮された形態の溶解した酸の水溶液として存在してもよい。
【００４７】
適切な酸物質は、水性物質または非水性物質のいずれかでありうる。適当な酸物質の非限定的な例としては、以下の１つ以上が挙げられる：塩酸、硝酸、リン酸、塩素酸、過塩素酸、クロム酸、硫酸、過マンガン酸、青酸、臭素酸、臭化水素酸、フッ化水素酸、ヨウ素酸、フルオロホウ酸、フルオロケイ酸、フルオロチタン酸。
【００４８】
ある実施形態において、用いられる規定体積の液体濃強酸は、５５〜６７°ボーメの比重を有する硫酸でありうる。この物質を反応容器に入れ、１６〜７０℃の温度で機械的に撹拌することができる。
【００４９】
開示された方法のある特定の用途では、非反応性容器中に計量され、規定量で存在する、濃硫酸等の撹拌されている酸に、計量された規定量の適当な水酸化物材料が添加されうる。添加される水酸化物の量は、沈殿物および／または懸濁固体もしくはコロイド懸濁液として組成物中に存在する固体物質を生成するのに十分な量である。用いられる水酸化物材料は、水溶性または部分的に水溶性の無機水酸化物であってもよい。本明細書に開示される方法において用いられる部分的に水溶性の水酸化物は、一般に、それらが添加される酸物質との混和性を示すものである。適当な部分的に水溶性の無機水酸化物の非限定的な例としては、共に用いられる酸において少なくとも５０％の混和性を示すものがある。無機水酸化物は、無水物であっても、水和物であってもよい。
【００５０】
水溶性無機水酸化物の非限定的な例としては、例えば、水溶性アルカリ金属水酸化物、アルカリ土類金属水酸化物および希土類水酸化物が挙げられる；これらは、単独でまたは互いに組み合わせて使用してもよい。他の水酸化物も、本開示の範囲内にあると解される。「水溶性」の用語は、用いられる水酸化物材料と関連して定義され、標準温度および標準圧力において水中で７５％以上の溶解特性を示す材料と定義される。利用される水酸化物は、典型的には、酸物質に導入されうる液体物質である。水酸化物は、全くの溶液、懸濁液または過飽和スラリー(a super-saturated slurry)として導入することができる。ある実施形態では、水溶液中の無機水酸化物の濃度は、それが導入され、共に用いられる酸の濃度に依存しうると考えられる。水酸化物材料の適当な濃度の非限定的な例は、５モルの物質(5 mole material)の５〜５０％を超える水酸化物濃度である。
【００５１】
適当な水酸化物材料としては、例えば、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化アンモニウム、水酸化カルシウム、水酸化ストロンチウム、水酸化バリウム、水酸化マグネシウムおよび／または水酸化銀が挙げられるが、これらに限定されない。無機水酸化物溶液は、その使用時、５モルの物質の５〜５０％の無機水酸化物濃度を有していてもよく、特定の用途では５〜２０％の濃度が採用される。ある方法では、無機水酸化物材料は、消石灰(slaked lime)として存在するような適当な水溶液中の水酸化カルシウムでありうる。
【００５２】
開示される方法では、液体または流体形態の無機水酸化物は、所定の共鳴時間(resonance time)を与えるため、規定時間にわたって１回または複数回、計量された分量で、撹拌されている酸物質に導入される。概説される方法における共鳴時間は、本明細書に開示されるヒドロニウムイオン材料が発達する環境を促進し提供するのに必要な時間間隔であると考えられる。本明細書に開示される方法にて採用される共鳴時間間隔は、典型的には１２〜１２０時間であり、共鳴時間間隔は２４〜７２時間であり、その中の増分は特定の用途において利用される。
【００５３】
この方法の様々な用途において、無機水酸化物は、複数の計量された分量において撹拌されている分量の上表面の酸に導入される。通常は、共鳴時間の間にわたって、無機水酸化物材料の全量が、複数の計量された量の一部として導入される。多くの場合、計量された追加分の冒頭導入(Front loaded metered addition)が採用されている。本明細書中で使用される「計量された追加分の冒頭導入(Front loaded metered addition)」の用語は、共鳴時間の最初の部分の間により多くの分量で、水酸化物の全分量が添加されることを意味すると解釈される。望ましい共鳴時間の初期比率は、全共鳴時間の最初の２５％〜５０％であると考えられる。
【００５４】
添加される計量された各分量の割合は、外部プロセス条件、ｉｎ  ｓｉｔｕプロセス条件、特定の材料特性といった非限定的な要因に基づいて変化しうるか、または同じでありうると理解されるべきである。計量された分量の数は、３〜１２であってもよいと考えられる。各計量された分量を添加する間隔は、開示される方法の特定の用途において５〜６０分でありうる。実際の添加間隔は、特定の用途では、６０分〜５時間でありうる。
【００５５】
この方法の特定の用途では、添加物の有無にかかわらず、６６°ボーメ濃硫酸５０ｍＬに５重量／体積％（ｗ／ｖ％）の水酸化カルシウム材料１００ｍＬを２ｍＬ／分で、５回の供給で添加する。水酸化物材料を硫酸に添加すると、液体の濁りが増加した材料が生成する。液体の濁りの増加は、沈殿物としての硫酸カルシウムを示唆している。生成した硫酸カルシウムは、懸濁し、溶解した固体の調整された濃度を得ることを目的として、継続して行なわれる水酸化物の添加に伴った様式で除去することができる。
【００５６】
いずれの理論にも拘束されるものではないが、本明細書に記載した方法で水酸化カルシウムを硫酸に添加すると、初期の水素プロトンまたは硫酸と関連したプロトンが消費され、水素プロトン酸素化(hydrogen proton oxygenation)が起こり、水酸化物の添加時において一般的に予想されるように、問題となるプロトンがオフガス(off-gassed)されないと考えられる。代わりに、１個のプロトンまたは複数のプロトンは、液体材料中に存在するイオン性水分子成分と再結合する。
【００５７】
規定された適当な共鳴時間が経過した後、得られた材料は、２０００ガウスを超える値で非双極磁場(a non-bi-polar magnetic field)に曝露される；特定の用途では、２００万ガウスを超える磁場が採用される。特定の状況では、１０，０００〜２００万ガウスの磁場が使用されうると考えられる。磁場は、種々の適当な手段によって形成することができる。適当な磁場発生器の非限定的な一例が、Wurzburgerの米国特許第７，１２２，２６９号において見出され、その明細書は参照により本明細書に組み込まれる。
【００５８】
プロセスの間に生成され、沈殿物または懸濁した固体として存在する固体物質は、任意の適当な手段によって除去することができる。かような除去手段としては、例えば以下が挙げられるが、これらに限定されない：重力濾過、強制濾過(forced filtration)、遠心分離機、逆浸透など。
【００５９】
本明細書に開示される安定な電解質材料の組成物は、室温かつ相対湿度５０〜７５％で保管された場合に少なくとも１年間は安定であると考えられる貯蔵安定性のある粘性液体である。安定な電解質材料の組成物は、様々な最終用途において無溶媒で(neat)使用することができる。安定な電解質材料の組成物は、電荷バランスの取れていない酸性プロトンの全モル数の８〜９％を含む、１．８７〜１．７８モル濃度の物質を有しうる。
【００６０】
本明細書に開示される方法から得られる安定な電解質材料の組成物は、水素電量測定(hydrogen coulometery)およびＦＦＴＩＲスペクトル分析を介して滴定的(titramtrically)に測定される場合、２００〜１５０Ｍの濃度のモル濃度、ある場合には１８７〜１７８Ｍの濃度のモル濃度を有する。この材料は、１．１５を超える重量測定範囲(gravimetric range)を有し；ある場合には、１．９より大きな範囲である。この物質は、分析すると、１モルの水に含まれる水素に対して、１立方ミリリットル当たり最大１３００体積倍のオルト水素(orthohydrogen)を生じることが示されている。
【００６１】
開示されるような物質の組成物は、適当な極性溶媒に導入され、１５体積％を超える濃度のヒドロニウムイオンを含む溶液を与えうることも考えられる。ある用途では、ヒドロニウムイオンの濃度は２５％よりも大きくすることができ、また、ヒドロニウムイオンの濃度は１５〜５０体積％となりうると考えられる。
【００６２】
適当な極性溶媒は、水性物質、有機物質、または水性および有機物質の混合物のいずれかでありうる。極性溶媒が有機成分を含む状況では、有機成分としては、以下の少なくとも１つを含みうる：５個未満の炭素原子を有する飽和および／または不飽和の短鎖アルコール、および／または５個未満の炭素原子を有する飽和および不飽和の短鎖カルボン酸。溶媒が水および有機溶媒を含む場合、水対溶媒の比は、水：溶媒が、それぞれ１：１〜４００：１であることが意図される。適当な溶媒の非限定的な例としては、水、酢酸、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、ギ酸などの極性プロトン性溶媒として分類される様々な物質が挙げられる。
【００６３】
本明細書中で定義された物質の組成物を添加して得られる溶媒材料中に存在するイオン複合体は、一般に安定であり、これを生成するために作り出された環境の存在下で酸素供与体として機能することができる。この材料は、任意の適切な構造を有し、一般に安定であり、酸素供与体として機能することができる溶媒和を形成していてもよい。
得られる溶液の特定の実施形態は、ある濃度のイオンを含むが、当該イオンは、以下の式によって表される：
【００６４】
【化６】
2018522811.tif 000007
【００６５】
上記式中、ｘは３以上の奇数の整数である。
【００６６】
本明細書に開示される化合物のイオン性の形態は、本開示ではヒドロニウムイオン複合体と呼ばれる個々のイオン複合体中に７個よりも多い水素原子を有する独特なイオン複合体で存在すると考えられる。本明細書で使用される「ヒドロニウムイオン複合体(hydronium ion complex)」の用語は、カチオンＨｘＯｘ−１＋（ここで、ｘは３以上の整数である）を取り囲む分子のクラスターとして広く定義することができる。ヒドロニウムイオン複合体は、少なくとも４つの追加の水素分子と、水分子としてそれに会合した（錯形成した）化学量論的割合の酸素分子とを含んでもよい。したがって、本明細書の方法で用いられうるヒドロニウムイオン複合体の非限定的な例の式表示は、以下の式によって表される：
【００６７】
【化７】
2018522811.tif 000008
【００６８】
上記式中、ｘは３以上の奇数の整数であり；
ｙは１〜２０の整数であり；ある実施形態において、ｙは、３〜９の整数であってもよい。
【００６９】
本明細書に開示される種々の実施形態において、ヒドロニウムイオン複合体の少なくとも一部は、以下の式：
【００７０】
【化８】
2018522811.tif 000009
【００７１】
上記式中、ｘは１〜４の整数であり；
ｙは０〜２の整数である；を有するヒドロニウムイオンの溶媒和構造として存在すると考えられる。
【００７２】
かような構造において、式：
【００７３】
【化９】
2018522811.tif 000010
【００７４】
で表されるコアは、複数のＨ２Ｏ分子によってプロトン化される。本明細書に開示される物質の組成物中に存在するヒドロニウム複合体は、アイゲン(Eigen)複合体カチオン、ツンデル(Zundel)複合体カチオンまたはこれら２つの混合物として存在しうると考えられる。アイゲン溶媒和構造は、ヒドロニウム複合体が３つの隣接する水分子に強く結合した状態で、Ｈ９Ｏ４＋構造の中心にヒドロニウムイオンを有しうる。ツンデル溶媒和複合体は、プロトンが２つの水分子によって等しく共有されているＨ５Ｏ２＋複合体でありうる。溶媒和複合体は、通常、アイゲン溶媒和構造とツンデル溶媒和構造との間の平衡状態で存在する。これまで、それぞれの溶媒和構造複合体は、一般に、ツンデル溶媒和構造に有利な平衡状態で存在していた。
【００７５】
本開示は、少なくとも部分的に、アイゲン複合体に有利な平衡状態でヒドロニウムイオンが存在する安定した材料を生成することができるという予期せぬ発見に基づいている。本開示はまた、プロセスの流れの中でアイゲン複合体の濃度を増加させることにより、増強された酸素供与体である新規な種のオキソニウム材料を提供することができるという、予期せぬ発見に基づくものである。
【００７６】
本明細書に開示されるプロセスの流れでは、ある実施形態において、アイゲン溶媒和状態とツンデル溶媒和状態との比が１．２対１〜１５対１との間であり；他の実施形態では、１．２対１〜５対１の間の比でありうる。
【００７７】
本明細書で開示される新規な酸素供給体であるオキソニウム材料は、一般に、過剰のプロトンイオンで緩衝される熱力学的に安定な水性酸溶液として説明することができる。ある実施形態において、プロトンイオンの過剰分は、遊離した水素含有量によって測定されるように、１０％〜５０％の過剰水素イオンの量でありうる。
【００７８】
本明細書で論じる方法で用いられるオキソニウム複合体は、様々なプロセスによって用いられる他の材料を含むことができると考えられる。水和したヒドロニウムイオンを生成する一般的な方法の非限定的な例は、米国特許第５，８３０，８３８号に開示されており、その明細書は参照により本明細書に組み込まれる。
【００７９】
本明細書に開示される組成物は、以下の化学構造を有する：
【００８０】
【化１０】
2018522811.tif 000011
【００８１】
上記式中、ｘは３以上の奇数の整数であり；
ｙは１〜２０の整数であり；
Ｚは多原子イオンであるか、または、単原子イオンである。
【００８２】
用いられる多原子イオンは、１以上のプロトンを供与する能力を有する酸に由来するイオンでありうる。関連する酸は、２３℃でｐＫａ≧１．７の値を有するものでありうる。用いられるイオンは、＋２以上の電荷を有するイオンでありうる。そのようなイオンの非限定的な例としては、例えば、硫酸イオン、炭酸イオン、リン酸イオン、クロム酸イオン、重クロム酸イオン、ピロリン酸イオン、およびこれらの混合物が挙げられる。ある実施形態において、多原子イオンは、ｐＫａ≦１．７の値を有する酸に由来するイオンを含む多原子イオン混合物を含む混合物から誘導することができると考えられる。
【００８３】
ある実施形態において、物質の組成物は、以下の化学構造を有しうる：
【００８４】
【化１１】
2018522811.tif 000012
【００８５】
上記式中、ｘは３〜１１の奇数の整数であり；
ｙは１〜１０の整数であり；
Ｚは多原子イオンであるか、または、単原子イオンである。
【００８６】
用いられる多原子イオンは、１以上のプロトンを供与する能力を有する酸に由来するイオンでありうる。関連する酸は、２３℃でｐＫａ≧１．７の値を有するものでありうる。用いられるイオンは、＋２以上の電荷を有するイオンでありうる。そのようなイオンの非限定的な例としては、例えば、硫酸イオン、炭酸イオン、リン酸イオン、シュウ酸イオン、クロム酸イオン、重クロム酸イオン、ピロリン酸イオン、およびこれらの混合物が挙げられる。ある実施形態において、多原子イオンは、ｐＫａ≦１．７の値を有する酸に由来するイオンを含む多原子イオン混合物を含む混合物から誘導することができると考えられる。
【００８７】
ある実施形態において、物質の組成物は、以下の少なくとも１つの化学量論的にバランスのとれた(balanced)化学組成物からなり：水素（１＋）、トリアクア−μ３−オキソトリ硫酸塩（１：１）；水素（１＋）、トリアクア−μ３−オキソトリ炭酸塩（１：１）；水素（１＋）、トリアクア−μ３−オキソトリリン酸（１：１）；水素（１＋）、トリアクア−μ３−オキソトリシュウ酸塩（１：１）；水素（１＋）、トリアクア−μ３−オキソトリクロム酸塩（１：１）；水素（１＋）、トリアクア−μ３−オキソトリ重クロム酸塩（１：１）；水素（１＋）、トリアクア−μ３−オキソトリピロリン酸塩（１：１）；およびこれらの混合物；ある群から選択される極性溶媒と混合される。
【実施例】
【００８８】
本明細書に開示された発明をより良く理解するために、以下の実施例を提示する。実施例は例示的なものとみなされるべきであり、本開示または特許請求される主題の範囲を限定するものと見なすべきではない。
【００８９】
実施例１
非反応性容器中に、Ｈ２ＳＯ４の質量分率９８％、平均モル濃度（Ｍ）が７超であり、比重６６°ボーメ(baume)である濃縮液体硫酸５０ｍＬを入れ、磁気スターラーにより撹拌しながら２５℃で維持し、１ＨＰの機械的エネルギーを上記液体に付与することにより、本明細書に開示される新規な物質の組成物を調製する。
【００９０】
撹拌を開始した時点で、計量された水酸化ナトリウムを、撹拌されている酸物質の上面に添加する。用いられる水酸化ナトリウム材料は、５Ｍ水酸化カルシウムの２０％水溶液であり、計量された分量を、２ｍＬ／分の速度で５時間間隔にわたって５回導入し、共鳴時間(resonance time)を２４時間とする。計量された各分量の導入間隔は３０分である。
【００９１】
水酸化カルシウムの硫酸への添加に伴って、硫酸カルシウム固体の形成を示す濁りが生成する。当該固体は、プロセス中に定期的に沈殿することが可能であり、当該沈殿物は、反応溶液との接触から除去される。
【００９２】
２４時間の共鳴時間が完了した時点で、得られた物質を２４００ガウスの非双極磁場(a non-bi-polar magnetic field)に曝露することで、観察可能な沈殿物および懸濁した固体が２時間で生成する。得られた物質を遠心分離し、強制濾過して(force filtered)、沈殿物および懸濁した固体を単離する。
【００９３】
実施例２
実施例１で製造した材料を個々のサンプルに分離する。貯蔵安定性を決定するために、標準的な温度および５０％の相対湿度でいくつかのサンプルを密閉容器内に保存する。他のサンプルは、組成を決定するために分析手順に供される。試験サンプルをＦＦＴＩＲスペクトル分析に供し、水素電量測定(hydrogen coulometry)で滴定する。サンプル材料は、２００〜１５０Ｍの濃度のモル濃度および１８７〜１７８Ｍの濃度を有する。当該材料は、１．１５を超える重量測定範囲(gravimetric range)を有し；ある場合には、１．９よりも大きな範囲である。この組成物は安定であり、さらに、電荷バランスの取れていない酸性プロトンを全モル数の８〜９％含む、１．８７〜１．７８モル濃度の物質を含む。ＦＦＴＩＲ分析により、この物質が式：水素（１＋）、トリアクア−μ３−オキソトリ硫酸（１：１）を有していることが示される。
【００９４】
実施例３
標準温度および標準圧力下、実施例１において概説した方法に従って製造された材料の５ｍＬ分を、５ｍＬ分の脱イオン化された蒸留水に混合する。過剰水素イオン濃度は、１５体積％超として測定され、当該材料のｐＨは１であると決定される。
【００９５】
本発明は、現在最も実用的で好ましい実施形態と現在考えられているものに関連して記載されているが、本発明は開示された実施形態に限定されるものではなく、むしろ、特許請求の範囲の精神および範囲内に含まれる改変および等価な配置を含み、その範囲は、法律で許容されるようなすべてのそのような改変および同等の構造を包含するように最も広い解釈が与えられる。
【国際調査報告】
2018522811.tif 000017