JP5166668B2 - イオン性液体類及び溶媒としてのその使用方法 - Google Patents

イオン性液体類及び溶媒としてのその使用方法 Download PDF

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Description

【０００１】
【発明の属する分野】
本発明は、イオン性化合物類及びその調製・製造方法に係わる。具体的には、本発明は、相対的に低い温度において，即ち通常ではほぼ１００℃以下で、また好ましくはほぼ６０℃以下で液体であり、またより好ましくは常温において又はこれに近傍する温度において液体であるイオン性化合物に係わる。
【０００２】
【従来の技術】
イオン性液体の分野に対する関心は現在のところ極めて高いが、このような系、例えば溶融塩などは、多数の興味深く且つ有用な化学的特性を有しており、例えば合成化学における極性の高い溶媒としてまた触媒として実用性を有する。また電気化学においても、例えばバッテリー、燃料電池、光起電力装置やまた金属類のめっき浴など電着プロセスなどにおいて具体的に使用されている。
【０００３】
一般的に言って、イオン性液体は、蒸気圧が極めて低く、従って多くの従来公知である溶媒とは異なって、実質的に有害な蒸気は一切発生しないため、健康、安全性及び環境の観点から有利である。
【０００４】
何年も前から知られているこのような系の一つが、塩化1―エチル−3―メチル−メチルイミダゾリウム−三塩化アルミニウム（ＥＭＩＣ−ＡｌＣｌ３）から形成される系である。この系は、使用するＥＭＩＣとＡｌＣｌ３とのモル比に依存して―１００℃とほぼ２００℃との間で熱的に安定な液体である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
かかるＥＭＩＣ−ＡｌＣｌ３ の系は、例えばＵＳ−Ａ−５５２５５６７、ＦＲ−Ａ−２６１１７００、ＦＲ−Ａ−２６２６５７２、ＷＯ９５／２１８７２及びＥＰ−Ａ−８３８４４７などにおいて記載されているように種々のイオン性反応のための溶媒としてまた電解質として広範に使用されてきたが、かかる化合物を使用する上で多くの困難や難点がある。これらは主としてそのコスト及び水に対する高い感受性に起因するものである。
【０００６】
近年、比較的低温で液体である別のイオン性化合物が、合成されている。例えば、ＵＳ−Ａ−４７６４４４０には、例えば塩化トリメチルフェニルアンモニウムを三塩化アルミニウムと反応させることによって生成される低温溶融組成物が開示されている。得られたイオン性化合物は、凝固点が低い（−７５℃前後）ものの、三塩化アルミニウムが存在するため、ＥＭＩＣ−ＡｌＣｌ３ と同様の水に対する高い感受性を有する。
【０００７】
三塩化アルミニウムの代わりに他の金属ハロゲン化物を使用する提案が幾つかなされている。例えば、ＵＳ−Ａ−５７３１１０１には、イオン性組成物のアニオン部分として塩化鉄及び塩化亜鉛を使用することが開示されている。カチオン部分は、式Ｒ３Ｎ・ＨＸ（ここでＸ＝ハロゲン化物）で表わされるアミンのハイドロハライドによって形成される。しかしながらこの文献によれば、アルミニウム化合物が好ましいことが示されている。
【０００８】
ＰＣＴ／ＧＢ００／０１０９０においては、例えば塩化コリンなど四級アンモニウム化合物に亜鉛、錫又は鉄のハロゲン化物を反応させることによって形成される、イオン性液体類が開示されている。
【０００９】
SAITO,SHUJI ET AL:“Complexes of urea and symmetrical tetraalkylammonium halides”J.AM.CHEM.SOC.(1966),88(22),5107-12は、尿素と対称性のハロゲン化テトラアルキルアンモニウムとの錯塩類が開示されている。かかる錯塩は結晶性であって、なお非対称性アンモニウム化合物の使用方法もまたかかる錯塩類から得られる液体を溶媒として使用する方法についても一切開示されていない。
【００１０】
KOICHI TANAKA ET Al:“Molecular aggregation of alkyltrimethylammonium bromide and alcohol in the solid state”MOL.CRYST., Vol.277, 1996, pages 139-143は、臭化四級アンモニウムを少なくとも１０であるアルキル鎖長により錯化することによって一級アルコールと二級アルコールとの混合物から一級アルコールを分離する方法に関するものである。
【００１１】
O.KRISTIANSSON ET AL:“Interaction between methanol and Cl-,Br-, I-, NO3, ClO4 -, SO3, CF3 及び PF6 - studied by FTIR”ACTA CHIMICA SCANDINAVICA, vol.51,1997, pages 270-273は、四級アンモニウムカチオン類とメタノールとの間で形成される化合物を開示している。
【００１２】
KEIJI SAWADA ET AL:“X-Ray analyses of complexes formed between surfactants and aromatic compounds, I.A common structural pattern of complexes”BULLETIN OF THE CHEMICAL SOCIETY OF JAPAN, Vol.71,1998, pages 2109-2118は、四級アミン類と種々の芳香族化合物とから形成される種々の固体物質の製造法を開示するものである。
【００１３】
NEGITA ET AL:“14N Nuclear quadropole resonanace of the molecular complexes of urea” BULLETIN OF THE CHEMICAL SOCIETY OF JAPAN, Vol.54,1981, pages 391-393は、尿素と四級アンモニウムとの固体錯塩を開示する。
【００１４】
MASOOD A.KAHN:“Hydrogen bonding and crystal packing trends in tetraalkylammonium halide-catechol complexes: Synthesis, spectroscopic and crystal structure studies of Me4NCl-catechol, EtCl4NCl-catechol, ET4NBr-catechol and Pr4NBr-catechol complexes”。
【００１５】
JOURNAL OF MOLECULAR STRUCTURE, Vol.145,1986, pages 203-218は、対称性アミン類とカテコールとから調製される。
【００１６】
US5,731,101A(LACROIX CHRISTINE P.M. ET AL.)24 March 1998(1998-03-04)and MASOOD A. KAHN ET AL.:“Novel hydrogen bonding in crystalline tetra-n-butylammonium salts of catechol halides”CANADIAN JOURNAL OF CHEMISTRY、Vol.63、1985、 pages 2119-2122は、三塩化アルミニウムとトリエチルアミンとから調製される低温液体イオン性組成物を開示している。
【００１７】
Q.LI; T.C.W.MAK:“Novel inclusion compounds consolidated by host-guest and by host-guest hydrogen bonding: complexes of thiourea with (2-hydroxyethyl)trimethylammonium carbonate and oxalate”は、チオ尿素と四級アンモニウム化合物とから調製される固体状包接化合物を開示している。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、アミン塩、好ましくは四級アミン塩に有機物質、好ましくは２０℃において固体であり且つ該アミン塩のアニオンと水素結合を形成する能力を有する物質を反応させることによって、１００℃又はそれ以下において液体である化合物を形成することが可能であることを見出したのである。かかる水素結合を形成するのに適した化合物としては、例えば尿素、チオ尿素やアセトアミドなどのアミド類、例えば蓚酸、安息香酸やクエン酸などのカルボン酸類、アルコール類、フェノール及び置換フェノール類並びに例えばフルクトースなどの砂糖類が挙げられる。
【００１９】
【本発明の概要】
本発明に従えば、下記式で表わされる少なくとも一種のアミン塩をＸ-と共に水素結合を形成する能力を有する少なくとも一種の有機化合物（ＩＩ）に反応させることによって生成される、凝固点が１００℃まで、好ましくは６０℃までであるイオン性化合物が提供される：
Ｒ1Ｒ2Ｒ3Ｒ4Ｎ+ Ｘ- （Ｉ）
但し上式において、Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3及びＲ4はそれぞれは独立して以下である：
水素、
選択的に置換されたＣ1乃至Ｃ5アルキル、
選択的に置換されたＣ6乃至Ｃ10シクロルキル、
選択的に置換されたＣ6乃至Ｃ12アリール、
選択的に置換されたＣ7乃至Ｃ12 アルカリール、又は
Ｒ1及びＲ2は共同して、選択的に置換されたＣ4乃至Ｃ10アルキレン基を表わし、かくして式（Ｉ）のＮ原子と共に５乃至１１員複素環を形成するものであり、
Ｘ-は、ＮＯ3 -、Ｆ-，Ｃｌ-，Ｂｒ-，Ｉ-、ＢＦ4 -、ＣｌＯ4 -、ＣＮ-、ＳＯ3ＣＦ3 -又はＣＯＯＣＦ3 -であり、また上記において、“選択的に置換された”なる表現は、当該基がＯＨ，ＳＨ，ＳＲ5、Ｃｌ，Ｂｒ，Ｆ，Ｉ，ＮＨ2、ＣＮ，ＮＯ2，ＣＯＯＲ5、ＣＨＯ、ＣＯＲ5若しくはＯＲ5−なお本式において、Ｒ5は、Ｃ1乃至Ｃ10アルキル又はシクロアルキル基である−から選択される少なくとも一種又はそれ以上の基で置換されるか又は置換されないことを意味するものであり、
また本式において、化合物ＩとＩＩとのモル比は、１：１．５から１：２．５までである。
【００２０】
化合物ＩＩが好ましくは、Ｒ6ＣＯＯＨ、Ｒ7Ｒ8ＮＨ、Ｒ9ＣＺＮＨ2又はＲ10ＯＨ − なお本式において、Ｒ6、Ｒ7、Ｒ8、Ｒ10がそれぞれＨ、Ｃ1乃至Ｃ8アルキル基、アリール基又はＯＨ、ＳＲ5、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｆ、Ｉ、ＮＨ2、ＣＮ、ＮＯ2、ＣＯＯＲ5、ＣＯＲ5若しくはＯＲ5 − なお上式において、Ｒ5は、Ｈ、Ｃ1乃至Ｃ10アルキル又はシクロアルキル基である − から選択される０乃至６の基で選択的に置換されたＣ7乃至Ｃ12 アルカリール基であり、また
Ｒ9は、Ｒ6について定義された通りの基であるか又はＮＨＲ11 − なお上式において、Ｒ11はＨ又はＣ1乃至Ｃ6アルキルである − であり、またＺはＯ又はＳである − で表わされる化合物である。
【００２１】
好ましくは化合物ＩＩは、化合物ＩＩが、尿素、アニリン若しくは置換アニリン、Ｃ１―Ｃ６脂肪酸、Ｃ１―Ｃ６ヒドロキシ脂肪酸、又は式ＨＯＯＣ（ＣＨ２）ｎＣＯＯＨ ― なお本式において、ｎは０又は１である −、アセトアミド、フェノール若しくは置換フェノール、アルキレングリコール又はクエン酸である。最も好ましくは、化合物ＩＩは、尿素、アセトアミド、蓚酸二水塩、フェノール若しくは置換フェノール、エチレングリコール又はクエン酸である。
【００２２】
化合物Ｉ及びＩＩは、モル比が１：１．５から１：２．５まで、好ましくはほぼ１：２で混合する。一般的に、本発明のイオン性化合物を調製・製造するのに使用されるアミン塩（Ｉ）は、好ましくは非対称性であり、即ち、置換された基（Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３及びＲ４）は、同一ではない。
【００２３】
式Ｉの好ましいアミン塩は、ＰＣＴ／ＧＢ００／０１９０において記載されているアミン塩と同一のもの、即ちＲ４が、ＯＨ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｆ、Ｉ、ＮＨ２、ＣＮ、ＮＯ２、ＣＯＯＲ５、ＣＯＲ５、ＣＨＯ及びＯＲ５から選択される少なくとも１つの基で置換されたＣ１乃至Ｃ１０アルキル基又はシクロアルキル基であるアミン塩である。特に好ましいのは、Ｒ４が、一つ又はそれ以上のヒドロキシル、塩素、又はエステルで置換されたエチル基である（即ち、Ｒ４なる置換基が、コリン、クロロコリン又はクロロコリンエステルから誘導されるもの）。好適であると判明している基Ｒ４の具体的例としては、２-ヒドロキシエチル、２−ブロモエチル、２−クロロエチル、２―アセチルエチル、Ｎ-デシル、シクロヘキシル、２−ヒドロキシ−３−クロロプロピル及び３−ブロモプロピルが挙げられる。更に好ましい実施態様においては、かかるアミンカチオンは、キラルである。
【００２４】
化合物（Ｉ）の対イオンは好ましくは、例えば臭化物又は塩化物などハロゲン化物である。
【００２５】
本発明のイオン性化合物は、単に当該アミン塩（Ｉ）を水素結合ドナーと混合することによって調製することが出来る。該反応は、一般的には吸熱反応であるので、通常は例えば１００℃又はそれ以上に加熱することによって実施する。
【００２６】
本発明に従ったイオン性化合物は、種々の目的のために、例えば、バッテリーや燃料電池などの電気化学的装置、光起電力又はエレクトロクロミック装置及び電気化学的析出、電解研磨又は電気精錬における電解質として利用することが可能である。本化合物は、極性が高いが非水である溶媒が必要とされる応用を実施するのに特に使用される。かかる化合物はまた、例えば遷移金属錯塩などイオン性化学種を、そのまま単独で又はその他の金属イオンと錯塩化した後で溶解するための溶媒として、また触媒として又は化学試薬として使用することも出来る。またかかる化合物は、混和不能の溶媒から溶質を抽出するために使用することが出来る。
【００２７】
本発明に従ったイオン性化合物はまた、例えばステンレススチールやアルミニウムなどの金属の電解研磨を行うための溶媒として強酸類から成る従来公知の混合物の代替物として使用することも出来る。少なくとも本発明に従った好ましい化合物は、ステンレススチールを電解研磨するために使用されている従来の酸混合物よりも一層環境に優しく、しかも安価で再使用可能である。さらには、かかる化合物を使用することによって、電力消費量が低減されまた例えば従来公知の酸混合物のミスト発生などガス発生により惹起される危険災害など作業場所での局所的な環境危険災害が減少することになる。
【００２８】
数多くの好ましい実施態様を下記する実施例において説明する。本製品の全ての組成は、１ＨＮＭＲ分光法を用いて特性化し、またこれらのイオン特性は、Jenway 4071伝導度測定器及び温度プローブを使用して伝導度測定値により特性化した。これら化合物は全て、その凝固点以上における温度での伝導度が少なくとも１０μＳｃｍ-１であった。実施例において使用した出発物質は全て、無水であり、使用に先だって２時間真空下で乾燥した。
【００２９】
【実施例】
【００３０】
実施例１
塩化コリン（一般式Ｉにおいて、Ｒ１、Ｒ２及びＲ３がメチルであり、Ｒ４がＣ２Ｈ４ＯＨであり、またＸ-がＣｌ-である四級アンモニウム塩）１．４０ｇ（０．０１mole）を実験室用試験管内の尿素１．２ｇ（０．０１mole）に添加した。得られた混合物を２０分間７０℃の温度にまで加熱して、透明無色の液体を得た。この溶融物を1分当りほぼ１℃の速度で冷却し、最初の結晶生成を認めた温度を記録し、この温度を凝固点として記録した（全ての共融混合物について、うがい組成物の完全な凝固は、最初の結晶生成温度よりも遥かに低い温度で生起するが、固化は、緩徐であり、場合によっては、当該物質は、固化後数日間はゲルの状態に留まる）。この２：１尿素／塩化コリンのイオン性液体の１９℃における伝導度は、３３８μＳｃｍ-１であり、またこの混合物の凝固点は１２℃である。
【００３１】
実施例２乃至１５
尿素の代りに表１に示す化合物“ＩＩ”を使用して、実施例１の手順を反復・繰り返した。得られた結果を表１に示す。それぞれの場合において、加熱は、透明な溶融物が形成されるまで行い、次いで凝固点を1分間当り１℃の冷却速度として結晶形成の最初の外観により決定した。
【００３２】
【表１】
Figure 0005166668
【００３３】
液状イオン性化合物の生成が、化合物ＩＩと塩化物イオンとの間における水素結合形成の結果であることを実証するために、実施例に記載したと同一の操作手順を用いて、出発物質を他のものに変えて類似した物質を調製・製造することを試みた。結果を、比較実施例１乃至８として表２に示す。
【００３４】
実施例１に記載したと同じ態様で、塩化コリン（０．０１モル）と表１Ａに示す化合物のそれぞれ（０．０２モル）とから製造した。得られた化合物の凝固点を表１Ａに示す。
【００３５】
実施例１とは異なり、表２Ａに示す物質は、実施例1における尿素の代りに同一モル量使用した場合、凝固点が１００℃又はそれ以上のイオン性液体を生成しなかった。
【００３６】
【表２】
Figure 0005166668
【００３７】
【表１Ａ】
Figure 0005166668
【００３８】
【表２Ａ】
Figure 0005166668
【００３９】
表１、２、１Ａ及び２Ａに示す結果から、原則として水素結合に水素原子を供与する能力を有する化合物は、全てではないがその多くは、実施例1の方法によって塩化コリンと共にイオン性液体を形成する能力を有することが判る。一般的に言って、最も有用なイオン性化合物（即ち、最も低い凝固点を有するイオン性化合物）を形成する化合物は、使用した“化合物ＩＩ”の凝固点が比較的低い、例えば１５０℃以下、好ましくは１００℃以下、更に好ましくは５０℃以下でありまた更には凝固点が２０℃又はそれ以下である（即ち、常温で固体である）化合物である。
【００４０】
特定の水素結合ドナー化合物（ＩＩ）が、凝固点が１００℃又はそれ以下であるイオン性化合物を形成する能力があるか否かに関して重要な関係を有する更なる要素は、当該化合物の固態と液態での構造度の相異である。原則として水素結合形成能はあるが、固態と液態での構造度の相が低い化合物は、一般的に好ましくない。例えば、長鎖脂肪酸は、凝固点は低いが固態での構造度が低く、一般的に言って充分ではない。同様に、液態において規則的な配列度が高い化合物（例えば三フッ化酢酸など）は、一般的に有利で好ましい。
【００４１】
ある特定の水素結合ドナー化合物（ＩＩ）が、凝固点が１００℃又はそれ以下であるイオン性化合物を形成する能力を有するか否かに関して重要な関連を持つ更なる要因は、水素結合ドナーとして機能し得る官能基が相異なる種類だけ存在することである。水素結合ドナーとして機能し得る官能基が一種類だけ当該化合物ＩＩ中に存在することが好ましいのである。例えば、二つのカルボン酸が存在するものの、ＣＯＯＨ基とＮＨ２基の双方を含む化合物（アミノ酸）は、通常好ましくない。
【００４２】
当業者ならば通常は、前述した基準及び本明細書に記載された実施例に基づいて本発明の目的のための適当な水素結合ドナーを選択することが出来るであろう。
【００４３】
実施例１６
アニオンＸ-の性質を変えることによる影響を、実施例１の操作手順における塩化コリンの代りに硝酸コリン及び四フッ化硼酸コリン（０．０１モル）を用いて実施例１の操作を反復繰り返すことによって検討した。得られた化合物の凝固点を表３に示す。
【００４４】
【表３】
Figure 0005166668
【００４５】
実施例２３乃至４１
実施例１の塩化コリンに代えて、式Ｉで表わされる種々のアミン塩を置換することによる影響を検討した。何れの場合においても、表４に示すアミン塩の０．０１モルを０．０２モルの尿素と加熱し、透明な溶融物を形成させた。凝固点は、前述したように冷却法で測定した。得られた凝固点を表４に示す。
【００４６】
【表４】
Figure 0005166668
【００４７】
比較実施例９乃至１５
同様にして、対称性アミンの塩類及び相対的に分子量の高いその他のアミンを検討して、得られた結果を比較実施例９乃至１２として表５に示す。これらの結果から、比較的低い分子量の非対称性アミンが好ましいことが明らかとなった。
【００４８】
【表５】
Figure 0005166668
【００４９】
実施例４２乃至４４
実施例１の方法で種々のアニオンのテトラエチルアンモニウム塩を尿素と組み合わせて使用して、Ｘ-を変える影響を検討した。得られた結果を表６に示す。
【００５０】
【表６】
Figure 0005166668
【００５１】
実施例２１を比較実施例２５と比較することによって、非対称性アミンが好ましいことが広範に示される。
【００５２】
混和性試験
実施例１で製造した物質の多数の普遍的溶媒との混和性を検討した。その結果この物質は、メタノール、ＤＭＳＯ及び水と混和性があり、またアセトン、アセトニトリル、ブロモベンゼン、ジクロロエタン、ジエチルエーテル、酢酸エチル、ヘキサン、炭酸プロピレン及びトルエンと二層を形成することが判った。ＴＨＦとは、白色沈殿を形成した。
【００５３】
イオン性化合物をバッテリー電解質として使用する方法
化合物ＩＩとアミン塩とから調製した凝固点の低いイオン性液体は、バッテリーの電解質として使用することが出来る。かかる例の二つを下記に記載する。第一の例においては、実施例１の物質（２：１尿素−塩化コリン）７ｍｌを調製し、小型ガラスセルの仕切り室内に注入した。このセルを液体温度が４５℃に保持されるように油浴内に浮かべた。一つの仕切り室内には、０．０６ｇのＦｅＣｌ３を溶解し、炭素電極を挿入した。亜鉛電極を別の仕切り室に入れた前記液体の中に挿入した。Ecochemie PGstat 10電位差計を使用して、これら二つの電極間の電位差を測定した。最高記録値は、１．４５Ｖであった。このバッテリーの半電池反応は以下のようである：
Ｚｎ → Ｚｎ２＋ ＋ ２ｅ- (陰極) 及び
Ｆｅ３＋ ＋ ｅ- → Ｆｅ２＋ （陽極）
【００５４】
第二の例では、２：１尿素―塩化コリンの７ｍｌを調製し、上記したガラスセルの二つの仕切り室に分けで入れた。一方の仕切り室には０．０５ｍｌのＢｒ２を加え、炭素電極を挿入した。亜鉛電極を他方の仕切り室に入れた前記液体内に挿入した。最大値は、２２℃において２．１４Ｖであった。このバッテリーの半電池反応は、以下のようである：
Ｚｎ → Ｚｎ２＋ ＋ ２ｅ- (陰極) 及び
１/２Ｂｒ２ ＋ ｅ- → Ｂｒ- （陽極）
【００５５】
実施例４６−金属酸化物の溶解
二モル等量の尿素を一モル等量の塩化コリンと共に適当な反応容器内でほぼ７０℃に加熱することによってイオン性液体を調製した。酸化ルテニウム、酸化銅（ＩＩ）、酸化クロム（ＶＩ）、五酸化バナジウム、酸化鉛（ＩＶ）、酸化マンガン（ＩＶ）及び酸化亜鉛は全て、このイオン性液体には６０℃乃至１２０℃の範囲で溶解可能であることが判明した。鉄又はアルミニウムの酸化物は何れも、このイオン性液体には有意の溶解性を示すことは無かったので、これらのイオン性液体は、それぞれの鉱石から金属酸化物を抽出するのに使用することが出来る。かかる金属は、電解採取法を使用することによってイオン性液体から抽出することが出来る。
【００５６】
この２：１尿素―塩化コリンイオン性液体を使用して、金属酸化物の錯塩混合物を処理して、当該金属を回収するために電解採取法の使用を可能ならしめることが出来る。イオン性液体が有するこのような特性及び総原価が相対的に安いため、アーク炉を工業的な規模で操作するために使用出来る潜在的可能性が生じる。酸化鉄（ＩＩＩ）（＞３０％）、酸化亜鉛（＞３０％）、酸化アルミニウム（−１０％）、シリカ（−５％）、酸化カルシウム（−５％）及び鉛化合物（−５％）を含有する電気アーク炉ダストをこの実験において使用した。通常はこのダストは、廃棄産物として処理され、埋立地に埋められている。しかしながら、このような廃棄処理はコスト高な方法であり、含有鉛が高い毒性の故に種々の問題を起こしている。
【００５７】
酸化亜鉛と鉛化合物は、２：１尿素―塩化コリン中に溶解することが出来るので、それぞれの金属を適当な陰極上に電着させることが出来る。Ｆｅ，Ａｌ、Ｓｉ及びＣａの酸化物は、上記イオン性液体には殆ど完全に不溶であることが判明している。尿素―塩化コリンイオン性液体は、尿素（０．０２モル）を塩化コリン（０．０１モル）とビーカー内で混ぜて、次いで８０℃に加熱することによって調製した。得られた透明で無色の液体にアーク炉ダスト（０．５ｇ）を加え、混合物を８０℃にて１時間加熱した。１時間後に、褐色の懸濁液が得られたので、これを電気化学セルに移した。金属電着をニッケル陰極とチタン陽極とを使用して（何れの電極も５０ｍｍｘ１０ｍｍｘ厚さ１ｍｍであった）且つ１時間電位差として３．５Ｖを印加して行った。電着処理を行う前に、電極はガラスペーパーで緩やかに磨耗処理し、アセトンで洗浄した。電着を１時間行った後、ニッケル陰極を褐色懸濁液から取り除き、アセトンで洗浄してから乾燥した。分厚い、炭色の電着層が得られた。この電着された物質は、Ｘ線によるEnergy Dispersive Analysisを用いて分析した。分析結果から、鉛（７７％）、亜鉛（１６％）及び銅（７％）が存在することが明らかとなった。この電着層には痕跡量の鉄も存在しなかったことから、酸化亜鉛と酸化鉄（ＩＩＩ）の分離をおこなうことが出来しかもアーク炉ダストから有害な鉛化合物の除去が出来ることが明らかとなった。
【００５８】
貴金属酸化物の溶解
その他の工業上重要な酸化物の再処理としては、貴金属、特に白金及びパラジウムを酸化物として含有する材料・物質から回収する方法が挙げられる。このような混合物は、例えば自動車の排ガス接触処理装置から回収した使用済み触媒中に存在する。かかる物質を経済的に実行可能なプロセスで回収可能となれば、極めて望ましいことであろう。通常は、酸化物混合物から掛かる金属を回収する方法は、当該酸化物を例えば王水などの強酸中に溶解することを包含する。
【００５９】
本発明者らは、本発明に従ったイオン性液体、特に化合物ＩＩがカルボン酸(好ましくは蓚酸)であるイオン性液体が、酸化白金及び酸化パラジウムを溶解するのに有効な溶媒であることを見出したのである。溶解した金属類は、電解回収法によりかかる溶液から回収することが出来る。例えば酸化パラジウム（種々の担体に支持された使用済み触媒の形状として）は、２：１尿素―塩化コリンイオン性液体中に溶解させることが出来るのである。このような溶解を行うために、温度は、好ましくは６０℃以下に保持される。パラジウム金属は、次いで種々の基質上に析出させることによって回収することが出来る。
【００６０】
実施例４７
蓚酸（１７．７ｇ）及び塩化コリン（９．８ｇ）を６０℃にて混合することによってイオン性液体を形成させた。これに、主としてアルミナ担体に担持させたＰｄＯである自動車触媒の試料（３．１６ｇ）を加えた。当初灰色の懸濁液が生成したが、Ｐｄが溶解し次いで固体がセルの底面に沈降すると緑色の溶液に変化した。この溶液をＮｉ陰極とチタン陽極を使用し、また５Ｖの電圧を、該電流密度を１ｍＡｃｍ-２として３０分間印加して電気分解した。この期間終了時点で、黒色析出物が、陰極上において得られたが、Ｘ線によるEnergy Dispersive Analysisを使用して分析して、この析出物は、主としてＰｄ金属であることが判明した。
【００６１】
実施例４８−金属電着
かかるイオン性液はまた、金属電着法においても使用出来るのである。例えば２：１尿素―塩化コリン混合物を使用することによって、銅、ニッケル、鉛及び亜鉛をそれぞれの塩化物塩から電着させることが出来るのであり、産業廃棄物から前記金属を再処理するのに使用することが出来る。
【００６２】
２：１尿素塩化コリン混合物（０．２ｍｏｌ尿素及び０．１ｍｏｌ塩化コリン）を４つの部分に分けて調製し、８０℃に加熱した。かかる調製は、試験管内で行った。金属含有化合物（ＣｕＳＯ４．５Ｈ２Ｏ，ＮｉＳＯ４．６Ｈ２Ｏ，ＰｂＣｌ２及びＺｎＯの何れか）の少量をイオン性液体の一つの試料に添加し、放置して溶解させた。次に１μｍのＡｌ２Ｏ３で研磨した直径が３ｍｍのＰｔ電極を使用して，電着をこのイオン性液体中において行った。何れの実験においても、電位差として３Ｖを１０分間印加し、温度は８０℃に保持した。それぞれの金属について、特徴的な析出物が、陰極のＰｔ電極上に得られた。
【００６３】
反応成分をベーカー中で混合し、次いで８０℃で加熱することによって２：１尿素塩化コリン混合物（１６ｍｌ）を調製した。塩化コバルト（ＩＩ）六水塩（１．５重量％）を透明で無色のイオン性液体に添加し、溶解させたところ青色液体が得られた。この青色液体を次いで直径が４１ｍｍ，幅が１６ｍｍで深さが３２ｍｍの内部の大きさを有するＰＴＦＥ電気化学セル内に注入した。大きさが何れも５５ｍｍ × ４０ｍｍ × １ｍｍ厚である軟鋼及びステンレススチールのプレートを緩やかにグラスペーパーで研磨し、アセトンで洗浄してから、火炎焼きなまし処理した。これら二枚のスチールプレートを相互に平行にしてＰＴＦＥ電気化学セルの内部長さ方向に沿って配列させた。コバルト析出は、軟鋼とステンレススチールのプレートをThurlby Thander power packの陰極及び陽極端末にそれぞれ接続した。電位差を印加し、電流密度として２ｍＡｃｍ-２を３０分間維持するように調節した。直列に接続したISO-TECH IDM66 Digital Voltmeterを使用して、電流をモニターした。実験は、６０℃において行い、３０分後に軟鋼プレートをセルから取り外し、アセトンで漱ぎ、次いで乾燥させた。電流密度を２ｍＡｃｍ-２として、半光沢性の、臼灰色／褐色の均質な析出物が得られた。
【００６４】
塩化コバルト（ＩＩ）六水塩（１．５％）を含有する、別の２：１尿素塩化コリン液体（５ｍｌまで）を調製し、６０℃の電気化学セル内に注入した。白金マイクロ電極（１０μｍ直径）、白金対電極及びコバルト参照電極を使用して、ボルタンメトリーを行った。ＧＰＥＳにより制御されたAutolab PGSTAT12 Potentiostatを使用して、サイクリックボルタンメトリーを行った。
【００６５】
イオン性液体中における反応
ヘック（Heck）反応
【００６６】
【化１】
Figure 0005166668
【００６７】
Ｐｄ（ＯＡｃ）２の及びＮａＯＡｃ存在下１３０℃において２日間スチレンと４-ヨードアニソールと反応させたところ、６０％の転化率で４-ヨードアニソーから生成物が得られた。４−ブロモアニソールを使用したところ、同一の反応条件下で２日後には転化率が５０％になった。４−クロロアニソールは、同様の条件下ではスチレンと反応しなかった。ＰｄＣｌ２触媒として使用したところ、反応はより速くなり、１．５日で同一生成物を９０％の収率で得た。
【００６８】
ＮａＯＡｃの代りにＮａ２ＣＯ３を使用し又触媒としてＰｄＣｌ２を使用すると、反応時間は減少し、また収率は改善して、４-ヨードアニソールは、１６時間で９６％の収率で生成物が得られた。蒸留で生成物を除去してから、得られた溶融物とＰｄＣｌ２を同一反応に再使用したところ、９０％の収率で生成物が得られた。
【００６９】
イオン性液体中における重合反応
【００７０】
【化２】
Figure 0005166668
【００７１】
この反応によって、数平均分子量が１２，０００でありまた多分散性指数が３．２であるポリマーが得られた。
【００７２】
【化３】
Figure 0005166668
【００７３】
この反応によって、数平均分子量が１２，８００でありまた多分散性指数が３．２であるポリマーが得られた。
【００７４】
２：１尿素―塩化コリンイオン性液体を用いたステンレススチール電着
モル比を２：１として尿素と塩化コリンをビーカー中で混合し８０℃に加熱して、透明で無色の液体を得た。このイオン性液体を６０℃の油浴中に浮かべた円筒状の電気化学セル（内径が８０ｍｍ）に注入した。亜鉛シートを、ガラスペーパーを用いて緩やかに研磨し、アセトンですすぎ、直径がほぼ７８ｍｍの円筒形に成形し、電気化学セル内に入れた。亜鉛電極をThurlby Thandaer power packの陰極端末に接続した。直径がほぼ４０ｍｍであるステンレススチールカラーを、Thurlby Thandaer power packの陽極端末に接続したリード線を用いて２：１尿素―塩化コリンイオン性液体の中央部に浮かべた。電位差として１２Ｖを６分間印加して、その後このステンレススチールカラーをイオン性液体から取り出し、アセトンですすいで、次いで乾燥した。このステンレススチールカラーは、その表面全面にわたって光沢があり且つ反射性があることが判った。同様の寸法をした他のステンレススチールカラー及びステンレススチールファスナーを用いてこの操作手順を反復繰り返したところ、何れも光沢があり、反射性の仕上げ処理が得られた。
【００７５】
２：１エタンジオール−塩化コリンを用いたステンレススチール電解研磨
モル比を２：１としたエタンジオール及び塩化コリン（２０ｍｌ）を８０℃においてビーカー中で混合し、８０℃に加熱して、透明で無色の液体を得た。このイオン性液体を２５℃の油浴に浮かべたアルミニウムセル（内長が６０ｍｍ、内幅が１０ｍｍまた内深が４０ｍｍである）内に注入した。このアルミニウムセルの外壁をThurlby Thandaer power packの陰極端末に接続した。５０ｍｍ × １０ｍｍ × １ｍｍ厚のステンレススチールプレート脱脂処理し、Thurlby Thandaer power packの陽極に接続したリード線を用いてアルミニウムセルの中央部に浮かべた。一定の電位差を印加して、ステンレススチールプレートでの電流密度が６０と７０ｍＡｃｍ-２との間に６分間維持するように調節した。６分後に、このステンレススチールプレートを２：１エタンジオール−塩化コリンイオン性液体から取り出し、アセトンですすいで、乾燥した。このステンレススチールプレートは、その表面全般に渉って光沢がありしかも反射性であることが判った。この２：１エタンジオール−塩化コリンイオン性液体は、塩化リチウム（５重量％）を転化することによって変成することが出来る。イオン性液体中の塩化物含量が増加したことによって、伝導度が増大し、かくして電解研磨中の電力消費量が低減される。塩化リチウムを含有した２：１エタンジオール−塩化コリン中で研磨されたステンレススチールもまた、極めて光沢がありまた反射性を有する。

Claims (17)

  1. 下記式（Ｉ）で表わされる少なくとも一種のアミン塩をＸ-と共に水素結合を形成する能力を有する少なくとも一種の有機化合物（ＩＩ）に反応させることによって形成される、凝固点が１００℃までであるイオン性化合物：
    Ｒ1Ｒ2Ｒ3Ｒ4Ｎ+ Ｘ- （Ｉ）
    （但し本式において、Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3及びＲ4は、すべてが同一というわけではなく、それぞれ独立して、
    水素、
    選択的に置換されたＣ1乃至Ｃ5アルキル、
    選択的に置換されたＣ6乃至Ｃ10シクロアルキル、
    選択的に置換されたＣ6乃至Ｃ12アリール、
    選択的に置換されたＣ7乃至Ｃ12 アルカリール、又は
    Ｒ1及びＲ2は共同して、選択的に置換されたＣ4乃至Ｃ10アルキレン基を表わし、式（Ｉ）のＮ原子と共に５乃至１１員複素環を形成するものであり、
    Ｘ-は、ＮＯ3 -、Ｆ-，Ｃｌ-，Ｂｒ-，Ｉ-、ＢＦ4 -、ＣｌＯ4 -、ＣＮ-、ＳＯ3ＣＦ3 -又はＣＯＯＣＦ3 -であり、
    また上記Ｒ1乃至Ｒ4における定義に現れる“選択的に置換された”なる表現は、当該Ｃ1乃至Ｃ5アルキル、Ｃ6乃至Ｃ10シクロアルキル、Ｃ6乃至Ｃ12アリール、Ｃ7乃至Ｃ12 アルカリール又はＣ4乃至Ｃ10アルキレン基が，ＳＲ5、Ｃｌ，Ｂｒ，Ｆ，Ｉ，ＮＨ2、ＣＮ，ＮＯ2，ＣＯＯＲ5、ＣＯＲ5若しくはＯＲ5（上式において、Ｒ5は、Ｈ，Ｃ1乃至Ｃ10アルキル又はシクロアルキル基である）から選択される少なくとも一種又はそれ以上の基で置換されるか又は置換されないことを意味するものであり、）
    前記化合物（ＩＩ）が、式
    Ｒ6ＣＯＯＨ、Ｒ7Ｒ8ＮＨ、Ｒ9ＣＯＮＨ2又はＲ10ＯＨ
    （但し本式において、
    Ｒ6、Ｒ7、Ｒ8、Ｒ10はそれぞれＨ、Ｃ1乃至Ｃ8アルキル基、アリール基又はＯＨ、ＳＲ5、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｆ、Ｉ、ＮＨ2、ＣＮ、ＮＯ2、ＣＯＯＲ5、ＣＯＲ5若しくはＯＲ5（式中、Ｒ5は、Ｈ、Ｃ1乃至Ｃ10アルキル又はシクロアルキル基である）から選択される０乃至６の基で選択的に置換されるＣ7乃至Ｃ12 アルカリール基である；
    Ｒ9は、Ｃ1乃至Ｃ8アルキル基、Ｃ1乃至Ｃ12アリール基又はＯＨ、ＳＲ5、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｆ、Ｉ、ＮＨ2、ＣＮ、ＮＯ2、ＣＯＯＲ5、ＣＯＲ5若しくはＯＲ5（式中、Ｒ5は、Ｈ、Ｃ1乃至Ｃ10アルキル、シクロアルキル基である）又はＮＨＲ11（式中、Ｒ11はＨ又はＣ1乃至Ｃ6アルキルである）から選択される０乃至６の基で選択的に置換されたＣ7乃至Ｃ12 アルカリール基である；）
    で表わされる化合物であり、
    また、（Ｉ）と（ＩＩ）とのモル比は、（Ｉ）：（ＩＩ）＝１：１．５〜１：２．５までであることを特徴とするイオン性化合物。
  2. 前記化合物（ＩＩ）が、尿素、アセトアミド、チオ尿素、グリオキサル酸、マロン酸、蓚酸二水塩、三フッ化酢酸、安息香酸、ベンジルアルコール、フェノール、ｐ−メチルフェノール、ｏ−メチルフェノール、ｍ−メチルフェノール、Ｐ-メチルフェノール、Ｐ-クロロフェノール、Ｄ-フルクトース又はバニリンである、請求項１において記載されたイオン性化合物。
  3. 前記化合物（ＩＩ）が、尿素、アニリン若しくは置換アニリン、Ｃ1―Ｃ6脂肪酸、Ｃ1―Ｃ6ヒドロキシ脂肪酸、又は式ＨＯＯＣ（ＣＨ2）nＣＯＯＨ（式中、ｎは０又は１である）、アセトアミド、フェノール若しくは置換フェノール、アルキレングリコール又はクエン酸である、請求項１において記載されたイオン性化合物。
  4. 前記化合物（ＩＩ）が、尿素、アセトアミド、蓚酸二水塩、フェノール若しくは置換フェノール、エチレングリコール又はクエン酸である、請求項１において記載されたイオン性化合物。
  5. 前記化合物（ＩＩ）の凝固点が、１６０℃以下である、請求項１において記載されたイオン性化合物。
  6. 前記化合物（ＩＩ）の凝固点が、２０℃又はそれ以下である、請求項５において記載されたイオン性化合物。
  7. 前記化合物（Ｉ）と（ＩＩ）とのモル比が、１：２である、請求項１において記載されたイオン性化合物。
  8. Ｒ4が、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｆ、Ｉ、ＮＨ2、ＣＮ、ＮＯ2、ＣＯＯＲ5、ＣＯＲ5若しくはＯＲ5（式中、Ｒ5は、請求項１において定義された通りである）から選択される少なくとも１つの基で置換されたＣ1乃至Ｃ10アルキル基又はシクロアルキル基である、請求項１乃至７のうちの何れか一項において記載されたイオン性化合物。
  9. Ｒ1、Ｒ2及びＲ3がそれぞれは独立して、Ｃ1乃至Ｃ5アルキル又はシクロアルキル基であり、またＲ4が、ヒドロキシアルキルである、請求項１乃至８のうちの何れか一項において記載されたイオン性化合物。
  10. Ｒ1、Ｒ2及びＲ3が、メチルであり、またＲ4が、ヒドロキシエチルである、請求項９において記載されたイオン性化合物。
  11. Ｘ―が、塩化物である、請求項１乃至１０のうちの何れか一項において記載されたイオン性化合物。
  12. Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3及びＲ4が、下記する意味を有する、請求項１において記載されたイオン性化合物。
    Figure 0005166668
  13. 該アミンカチオンが、キラルである、請求項１乃至１２のうちの何れか一項において記載されたイオン性化合物。
  14. 下記式（Ｉ）で表わされる少なくとも一種のアミン塩をＸ-と共に水素結合を形成する能力を有する少なくとも一種の有機化合物（ＩＩ）と混合させることから成る、凝固点が１００℃までであるイオン性化合物を製造する方法：
    Ｒ1Ｒ2Ｒ3Ｒ4Ｎ+ Ｘ- （Ｉ）
    （但し上式において、Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3及びＲ4は、すべてが同一というわけではなく、それぞれ独立して、
    水素、
    選択的に置換されたＣ1乃至Ｃ5アルキル、
    選択的に置換されたＣ6乃至Ｃ10シクロルキル、
    選択的に置換されたＣ6乃至Ｃ12アリール、
    選択的に置換されたＣ7乃至Ｃ12 アルカリール、又は
    Ｒ1及びＲ2は共同して、選択的に置換されたＣ4乃至Ｃ10アルキレン基を表わし、式（Ｉ）のＮ原子と共に５乃至１１員複素環を形成するものであり、
    Ｘ-は、ＮＯ3 -、Ｆ-，Ｃｌ-，Ｂｒ-，Ｉ-、ＢＦ4 -、ＣｌＯ4 -、ＣＮ-、ＳＯ3ＣＦ3 -又はＣＯＯＣＦ3 -であり、
    また上記Ｒ1乃至Ｒ4における定義に現れる“選択的に置換された”なる表現は、当該Ｃ1乃至Ｃ5アルキル、Ｃ6乃至Ｃ10シクロアルキル、Ｃ6乃至Ｃ12アリール、Ｃ7乃至Ｃ12 アルカリール又はＣ4乃至Ｃ10アルキレン基がＳＲ5、Ｃｌ，Ｂｒ，Ｆ，Ｉ，ＮＨ2、ＣＮ，ＮＯ2，ＣＯＯＲ5、ＣＯＲ5若しくはＯＲ5（上式において、Ｒ5は、Ｈ，Ｃ1乃至Ｃ10アルキル又はシクロアルキル基である）から選択される少なくとも一種又はそれ以上の基で置換されるか又は置換されないことを意味するものであり、）
    前記化合物（ＩＩ）が、式
    Ｒ6ＣＯＯＨ、Ｒ7Ｒ8ＮＨ、Ｒ9ＣＯＮＨ2又はＲ10ＯＨ
    （但し本式において、
    Ｒ6、Ｒ7、Ｒ8、Ｒ10はそれぞれＨ、Ｃ1乃至Ｃ8アルキル基、アリール基又はＯＨ、ＳＲ5、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｆ、Ｉ、ＮＨ2、ＣＮ、ＮＯ2、ＣＯＯＲ5、ＣＯＲ5若しくはＯＲ5（式中、Ｒ5は、Ｈ、Ｃ1乃至Ｃ10アルキル又はシクロアルキル基である）から選択される０乃至６の基で選択的に置換されるＣ7乃至Ｃ12 アルカリール基である；
    Ｒ9は、Ｃ1乃至Ｃ8アルキル基、Ｃ1乃至Ｃ12アリール基又はＯＨ、ＳＲ5、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｆ、Ｉ、ＮＨ2、ＣＮ、ＮＯ2、ＣＯＯＲ5、ＣＯＲ5若しくはＯＲ5（式中、Ｒ5は、Ｈ、Ｃ1乃至Ｃ10アルキル、シクロアルキル基である）又はＮＨＲ11（式中、Ｒ11はＨ又はＣ1乃至Ｃ6アルキルである）から選択される０乃至６の基で選択的に置換されたＣ7乃至Ｃ12 アルカリール基である；）
    で表わされる化合物であり、
    また、（Ｉ）と（ＩＩ）とのモル比は、（Ｉ）：（ＩＩ）＝１：１．５〜１：２．５までであることを特徴とするイオン性化合物を製造する方法。
  15. 該反応が、式（Ｉ）で表わされる化合物を式（ＩＩ）で表わされる化合物と共に加熱することによって実施される、請求項１４において記載された方法。
  16. 酸化白金又は酸化パラジウムを請求項１乃至１３のうちの何れか一項において記載されたイオン性化合物中に溶解した溶液を生成させ、次いで該溶液を電気分解することから成る、酸化白金又は酸化パラジウムから白金又はパラジウムを回収する方法。
  17. ステンレススチール又はアルミニウムを請求項１乃至１３のうちの何れか一項において記載されたイオン性化合物中に浸漬し、次いで該ステンレススチール又はアルミニウムに電圧を印加して該ステンレススチール又はアルミニウムを電気研磨することから成る、ステンレススチール又はアルミニウムを電気研磨する方法。
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