CN102070651B - 一种超级电容器有机电解质氧杂螺环季铵盐的制备方法 - Google Patents

一种超级电容器有机电解质氧杂螺环季铵盐的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超级电容器有机电解质氧杂螺环季铵盐的制备方法，该方法通过如下过程得以实现：以水为反应介质，将环状二胺与氧杂二卤代烷或氧杂二醇双磺酸酯在一定温度下，经过缩合反应，得到相应的螺环季铵盐；将此铵盐通过离子交换得到相应的螺环季铵盐；最后对其进行纯化得到目标产物。本发明选择性好，目标产物收率高，可使电解质中的杂质含量达到小于5ppm，可以满足超级电容器有机电解液的要求。

Description

一种超级电容器有机电解质氧杂螺环季铵盐的制备方法
技术领域
本发明涉及一种超级电容器有机电解质的合成方法，具体地说是一种制备氧杂螺环季铵盐的方法。
技术背景
超级电容器(双电层电容器)是近年来发展起来的一种高能量电能存储元件，具有高功率密度、高循环寿命、可快速冲放电和对环境无污染等优点，被广泛应用于电机调节器、传感器、微机存储器的后备电源、机动车辆的启动装置、风力发电和太阳能发电***等洁净能源***，因而受到关注。季胺盐作为超级电容器的非水电解质，可用作能量储藏装置的化学电池或高能量电容器的支持电解质。
迄今为止，作为季胺离子，包括脂肪族季胺离子(CN：1503778)和芳香族季胺离子(CN：1361716和CN：1524853)已被广泛研究并应用于超级电容器(US：5086374；JP：2004-146592；Kobayashi et al，Synthetic Metals，1987，18，619～624)。螺环季铵盐作为一类新的化合物，在专利文献(US：2007-201185，WO：2005-022571，JP：2006-186052，JP2006-49447，JP：2005-294332，JP：2005-260030，等)中叙述了含有该类季铵盐的超级电容器有机电解液。该电解液可以满足超级电容器的电化学和化学稳定性的要求，提供较高的容量，提高能量密度和功率密度。
作为螺环季铵盐合成方法，在专利(US：2007-49750，JP2005-294332，US：3055171)和期刊论文(ARKIVOC，2002(iii)，63-70；Chem.Ber.，1924，57，187；Chem.Ber.，1916，49，970)中描述了环状胺与二卤代烃进行亲核取代反应，先合成相应的卤代盐，再通过离子交换制备螺环季铵盐的合成过程，该方法收率较低，且在制备过程中使用了大量有机溶剂，因此作为规模化生产方法存在明显不足。尤其是在产品中含有大量的卤离子，难以满足电化学产品的要求。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的不足之处而提供一种操作简便，选择性好，收率高，适合于规模化生产的超级电容器有机电解质氧杂螺环季铵盐的制备方法。
为达到上述目的，本发明是这样实现的：
一种超级电容器有机电解质氧杂螺环季铵盐的制备方法，可按如下步骤依次实施：
(1)以水为反应介质，在碱的作用下，将环状二胺与氧杂二卤代烷或氧杂二醇双磺酸酯的混合溶液，经过缩合反应，制得磺酸氧杂螺环季铵盐；
(2)将步骤(1)所述磺酸氧杂螺环季铵盐经离子交换得到相应的螺环季铵盐；
(3)将步骤(2)所述螺环季铵盐进行纯化，即得目标产物超级电容器有机电解质氧杂螺环季铵盐。
氧杂螺环季铵盐的结构如下：
Figure BDA0000039116930000021
其中：n，m，p＝1，2，3；X＝Ms-，Ts-，p-Ts-，BF4 -，PF6 -，N(SO2CF3)2 -
作为一种优选方案，本发明所述环状二胺为四氢吡咯、六氢哌啶、六亚甲亚胺或吗菲啉。
相应结构如下：
Figure BDA0000039116930000031
n＝1，2，3
作为另一种优选方案，本发明所述氧杂二卤代烷为氧杂二氯代烷、氧杂二溴代烷或氧杂二碘代烷。
氧杂二卤代烷的结构如下：
Figure BDA0000039116930000032
其中：m＝1，2，3；p＝1，2；X＝Cl，Br，I。
进一步地，本发明所述氧杂二醇双磺酸酯为氧杂1，4-丁二醇或氧杂1，5-戊二醇或氧杂1，6-己二醇相应的甲基磺酸酯或苯磺酸酯。
氧杂二醇的结构如下：
Figure BDA0000039116930000033
其中：m＝1，2，3；p＝1，2
甲基磺酸酯的结构如下：
Figure BDA0000039116930000034
苯磺酸酯的结构如下：
Figure BDA0000039116930000041
其中：R为氢，烷基，烷氧基，硝基等官能团。
更进一步地，本发明所述步骤(1)中缩合反应所用的碱为氢氧化钠，氢氧化钾等碱金属或碱土金属氢氧化物，碳酸钠，碳酸钾等碱金属或碱土金属碳酸盐。
另外，本发明所述步骤(1)中缩合反应所用的碱为碱金属或碱土金属碳酸盐。
其次，本发明所述缩合反应的反应时间为0.1～24小时，优选为2～16小时。
再次，本发明所述环状二胺、氧杂二卤代烷及碱的摩尔比依次为1∶1～2∶1～4；优选为1∶1～1.5∶1～2。
所述环状二胺、氧杂二醇双磺酸酯及碱的摩尔比依次为1∶1～2∶1～4；优选为1∶1～1.5∶1～2。
本发明所述离子交换反应所需的离子交换剂为氟硼酸的碱金属或碱土金属相应的盐或者六氟磷酸的碱金属或碱土金属相应的盐。确切地，本发明离子交换剂为氟硼酸，氟硼酸钠、氟硼酸锂等氟硼酸的碱金属或碱土金属相应的盐，六氟磷酸。
本发明所述步骤(3)中的纯化过程为在醇、酮、腈有机溶剂中，加入活性碳、分子筛进行重结晶。
本发明涉及到的化学反应原理如下：
Figure BDA0000039116930000051
本发明以水为反应介质，环状胺和氧杂二卤代烷或氧杂二醇磺酸酯为反应原料的氧杂螺环季铵盐的合成方法。高收率、高选择性地制得氧杂螺环季铵盐，并通过与氟硼酸、六氟磷酸或其相应的盐进行离子交换得到相应的四氟硼酸螺环季铵盐、六氟磷酸螺环季铵盐，目标产物收率高，质量好，可使电解质中的杂质含量达到小于5ppm，可以满足超级电容器有机电解液的要求。
本发明以水为反应介质，避免了大量有机溶剂的使用。该方法选择性好，目标产物收率高，可使电解质中的杂质含量达到小于5ppm，可以满足超级电容器有机电解液的要求。
具体实施方式
以下实施例将对本发明作进一步说明，但本发明的内容并不受此实施例的限制。
实施例1
8-氧杂-螺[4，5]季铵盐的制备
1.1对甲基苯磺酸8-氧杂-螺[4，5]季铵盐的制备
于2升三口反应烧瓶中，在搅拌下将吗菲啉(43.5克，0.5摩尔)滴入含有1，4-丁二醇二对甲苯磺酸酯(238.8克，0.6摩尔)和碳酸钾(103.5克，0.75摩尔)的去离子水(800毫升)中，25℃下反应5小时，然后加热回流8小时。减压浓缩，将得到残余物加入乙醇，过滤。滤液浓缩，经乙醇重结晶得到对甲基苯磺酸8-氧杂-螺[4，5]季铵盐133.1克，收率为85％。
结构分析如下：
核磁共振分析结果为：1H NMR(400MHz，D2O)：δ＝2.32-2.38(m，4H，2xCH2)，2.45(s，3H，CH3)，3.51-3.56(m，4H，2xCH2)，3.68-3.70(m，4H，2xCH2)，4.08-4.10(m，4H，2xCH2)，7.55(d，2H)，7.84(d，2H)。
1.2四氟硼酸8-氧杂-螺[4，5]季铵盐的制备
将上述得到的对甲基苯磺酸8-氧杂-螺[4，5]季铵盐(62.7克，0.2摩尔)，四氟硼酸钠(27.4克，0.25摩尔)和300毫升乙腈加入到500毫升反应烧瓶中，加热回流6小时。冷却，过滤，滤液浓缩得到四氟硼酸8-氧杂-螺[4，5]季铵盐40.7克，收率为89％。
将得到的四氟硼酸8-氧杂-螺[4，5]季铵盐粗品，用异丙醇溶解，加入活性碳，加热回流过滤30分钟，过滤，滤液冷却得到四氟硼酸8-氧杂-螺[4，5]季铵盐的白色结晶。
干燥后经高压液相色谱分析纯度为99.9％.
经离子色谱检测：Na：2.0ppm，K：4.5ppm，Fe：2.4ppm，Mg：3.0ppm，Ca：4.0ppm，卤素离子未见。
核磁共振分析结果为：1H NMR(400MHz，D2O)：δ＝2.35-2.39(m，4H，2xCH2)，3.54-3.57(m，4H，2xCH2)，3.66-3.69(m，4H，2xCH2)，4.11-4.14(m，4H，2xCH2)。
元素分析结果为：理论值(C8H16NO4BF4)：C，41.95；H，7.04；N，6.12％测量值：C，42.13；H，7.21；N，6.35％。
实施例2
8-氧杂-螺[4，5]季铵盐的制备
2.1甲基磺酸8-氧杂-螺[4，5]季铵盐的制备
于500毫升三口反应烧瓶中，在搅拌下将吗菲啉(43.5克，0.5摩尔)滴入到含有1，4-丁二醇二甲基磺酸酯(128.4克，0.6摩尔)和碳酸钠(91.5克，0.75摩尔)的去离子水(750毫升)中，25℃下反应6小时，然后加热回流8小时。减压浓缩，将得到残余物加入乙醇，过滤。滤液浓缩，经乙醇重结晶后得到甲基磺酸8-氧杂-螺[4，5]季铵盐103.1克，收率为87％。
结构分析如下：
核磁共振分析结果为：1H NMR(400MHz，D2O)：δ＝2.34-2.38(m，4H，2xCH2)，2.88(s，3H，CH3)，3.53-3.57(m，4H，2xCH2)，3.66-3.69(m，4H，2xCH2)，4.02-4.05(m，4H，2xCH2).
2.2六氟磷酸8-氧杂-螺[4，5]季铵盐的制备
将上述得到的甲基磺酸8-氧杂-螺[4，5]季铵盐(47.5克，0.2摩尔)，六氟磷酸锂(38克，0.25摩尔)和150毫升乙醇加入到500毫升反应瓶中，加热回流4小时。冷却，过滤，得到六氟磷酸8-氧杂-螺[4，5]季铵盐52.2克，收率为91％。
将得到的六氟磷酸8-氧杂-螺[4，5]季铵盐粗品，通过异丙醇重结晶得到六氟磷酸8-氧杂-螺[4，5]季铵盐的白色结晶。
干燥后分析纯度为99.9％.
经离子色谱检测：Na：4.5ppm，K：2.5ppm，Fe：2.6ppm，Mg：3.0ppm，Ca：4.0ppm，卤素离子未见。
实施例3
8-氧杂-螺[4，5]季铵盐的制备
1.1对甲基苯磺酸8-氧杂-螺[4，5]季铵盐的制备
于2升三口反应烧瓶中，在搅拌下将吗菲啉(43.5克，0.5摩尔)滴入含有1，4-二溴丁烷(129.6克，0.6摩尔)和碳酸钾(96.6克，0.75摩尔)的去离子水(700毫升)中，25℃下反应8小时，然后加热回流5小时。减压浓缩，将得到残余物加入乙醇，过滤。滤液浓缩后得到8-氧杂-螺[4，5]季铵盐溴代物84.4克，收率为76％。
1.2四氟硼酸8-氧杂-螺[4，5]季铵盐的制备
将上述制得的8-氧杂-螺[4，5]季铵盐溴代物(44.4克，0.2摩尔)，四氟硼酸钠(27.4克，0.25摩尔)和200毫升丙酮加入到500毫升反应瓶中，加热回流7小时。冷却，过滤，滤液浓缩得到四氟硼酸8-氧杂-螺[4，5]季铵盐38.9克，收率为89％。
将得到的四氟硼酸8-氧杂-螺[4，5]季铵盐粗品，用异丙醇溶解，得到四氟硼酸8-氧杂-螺[4，5]季铵盐的白色结晶。
干燥后经高压液相色谱分析纯度为99.9％.
经离子色谱检测：Na＜2.0ppm，K＜2.0ppm，Fe＜2.0ppm，Mg＜3.0ppm，Ca＜3.0ppm，Br-：4.0ppm。
实施例4
9-氧杂-螺[5，5]季铵盐的制备
3.1对甲基苯磺酸9-氧杂-螺[5，5]季铵盐的制备
于2升三口反应烧瓶中，在搅拌下将吗菲啉(43.5克，0.5摩尔)滴入到含有1，5-戊二醇二甲基磺酸酯(136.8克，0.6摩尔)和碳酸钠(91.5克，0.75摩尔)的去离子水(800毫升，体积比8∶2)中，25℃下反应4小时，然后加热回流8小时。减压浓缩，将得到残余物加入乙醇，过滤。滤液浓缩，经乙醇重结晶后得到对甲基苯磺酸9-氧杂-螺[5，5]季铵盐105.4克，收率为84％。
结构分析如下：
核磁共振分析结果为：1H NMR(400MHz，D2O)：δ＝1.75-1.79(m，2H)，2.30-2.35(m，4H，2xCH2)，2.90(s，3H，CH3)，3.57-3.60(m，4H，2xCH2)，3.67-3.70(m，4H，2xCH2)，4.05-4.08(m，4H，2xCH2)。
3.2六氟磷酸9-氧杂-螺[5，5]季铵盐的制备
将上述得到的对甲基磺酸9-氧杂-螺[5，5]季铵盐(37.7克，0.15摩尔)，六氟磷酸锂(22.8克，0.15摩尔)和150毫升乙醇加入到500毫升反应瓶中，加热回流4小时。冷却，过滤，得到六氟磷酸9-氧杂-螺[5，5]季铵盐40.6克，收率为90％。
将得到的六氟磷酸9-氧杂-螺[5，5]季铵盐粗品，通过异丙醇重结晶得到六氟磷酸9-氧杂-螺[5，5]季铵盐的白色结晶。
干燥后分析纯度为99.9％。
经离子色谱检测：Na：4.0ppm，K：3.6ppm，Fe：2.2ppm，Mg：3.0ppm，Ca：4.0ppm，卤素离子未见。
实施例5
7-氧杂-螺[4，4]季铵盐的制备
4.1甲基磺酸7-氧杂-螺[4，4]季铵盐的制备
于2升三口反应烧瓶中，在搅拌下将吡咯(42.6克，0.6摩尔)滴入到含有2-氧杂-1，4-丁二醇二甲基磺酸酯(129.6克，0.6摩尔)和碳酸钠(91.5克，0.75摩尔)的去离子水(800毫升)中，25℃下反应5小时，然后加热回流10小时。减压浓缩，将得到残余物加入乙醇，过滤。滤液浓缩，经乙醇重结晶后得到甲基磺酸7-氧杂-螺[4，5]季铵盐133.8克，收率为86％。
结构分析如下：
核磁共振分析结果为：1H NMR(400MHz，D2O)：δ＝2.38-2.40(m，4H，2xCH2)，2.90(s，3H，CH3)，3.61-3.63(m，2H，CH2)，3.70-3.73(m，4H，2xCH2)，4.05-4.08(m，4H，2xCH2)，4.24-4.27(m，2H，CH2)。
4.2四氟硼酸7-氧杂-螺[4，4]季铵盐的制备
将上述得到的甲基磺酸7-氧杂-螺[4，4]季铵盐(22.3克，0.1摩尔)，四氟硼酸锂(9.4克，0.1摩尔)和100毫升甲醇加入到250毫升反应瓶中，加热回流3小时。冷却，过滤，得到四氟硼酸7-氧杂-螺[4，4]季铵盐19.8克，收率为92％。
将得到的四氟硼酸7-氧杂-螺[4，4]季铵盐粗品，通过两次乙醇重结晶得到四氟硼酸7-氧杂-螺[4，4]季铵盐的白色结晶。
干燥后分析纯度为99.9％。
经离子色谱检测：Na：3.5ppm，K：3.0ppm，Fe：2.5ppm，Mg：3.5ppm，Ca：4.0ppm，卤素离子未见。
实施例6
8-氧杂-螺[4，5]季铵盐的制备
5.1甲基磺酸7-氧杂-螺[4，5]季铵盐的制备
于2升三口反应烧瓶中，在搅拌下将六氢哌啶(51.0克，0.6摩尔)滴入到含有2-氧杂-1，4-丁二醇二甲基磺酸酯(129.6克，0.6摩尔)和碳酸钠(91.5克，0.75摩尔)的去离子水(700毫升)中，25℃下反应4小时，然后加热回流10小时。减压浓缩，将得到残余物加入乙醇，过滤。滤液浓缩，经乙醇重结晶后得到甲基磺酸8-氧杂-螺[4，5]季铵盐128克，收率为90％。
结构分析如下：
核磁共振分析结果为：1H NMR(400MHz，D2O)：δ＝1.72-1.74(m，2H)，2.33-2.36(m，4H，2xCH2)，2.92(s，3H，CH3)，3.60-3.62(m，2H，CH2)，3.65-3.68(m，4H，2xCH2)，4.07-4.10(m，4H，2xCH2)，4.21-4.25(m，2H，CH2)。
5.2四氟硼酸8-氧杂-螺[4，5]季铵盐的制备
将上述得到的甲基磺酸8-氧杂-螺[4，5]季铵盐(23.7克，0.1摩尔)，四氟硼酸锂(9.4克，0.1摩尔)和100毫升甲醇加入到250毫升反应瓶中，加热回流3小时。冷却，过滤，得到四氟硼酸8-氧杂-螺[4，5]季铵盐21.5克，收率为94％。
将得到的四氟硼酸8-氧杂-螺[4，5]季铵盐粗品，通过两次乙醇重结晶得到四氟硼酸8-氧杂-螺[4，5]季铵盐的白色结晶。
干燥后分析纯度为99.9％。
经离子色谱检测：Na：4.6ppm，K：3.4ppm，Fe：2.6ppm，Mg：3.0ppm，Ca：4.5ppm，卤素离子未见。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种超级电容器有机电解质氧杂螺环季铵盐的制备方法，其特征在于，按如下步骤依次实施：
（1）甲基磺酸8-氧杂-螺[4,5]季铵盐的制备
于2升三口反应烧瓶中，在搅拌下将51.0克，0.6摩尔的六氢哌啶滴入到含有129.6克，0.6摩尔的2-氧杂-1，4-丁二醇二甲基磺酸酯和91.5克的碳酸钠的700毫升去离子水中，25℃下反应4小时，然后加热回流10小时；减压浓缩，将得到残余物加入乙醇，过滤；滤液浓缩，经乙醇重结晶后得到甲基磺酸8-氧杂-螺[4,5]季铵盐128克,收率为90%；
（2）四氟硼酸8-氧杂-螺[4,5]季铵盐的制备
将上述得到的23.7克,0.1摩尔的甲基磺酸8-氧杂-螺[4,5]季铵盐，9.4克,0.1摩尔的四氟硼酸锂和100毫升甲醇加入到250毫升反应瓶中，加热回流3小时，冷却，过滤，得到21.5克的四氟硼酸8-氧杂-螺[4,5]季铵盐,收率为94%；
将得到的四氟硼酸8-氧杂-螺[4,5]季铵盐粗品，通过两次乙醇重结晶得到四氟硼酸8-氧杂-螺[4,5]季铵盐的白色结晶；干燥后分析纯度为99.9%。
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