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JP6524835B2 - Method for producing fluorosulfonyl group-containing monomer, fluorosulfonyl group-containing polymer, sulfonic acid group-containing polymer, liquid composition and membrane electrode assembly - Google Patents
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JP6524835B2 - Method for producing fluorosulfonyl group-containing monomer, fluorosulfonyl group-containing polymer, sulfonic acid group-containing polymer, liquid composition and membrane electrode assembly - Google Patents

Method for producing fluorosulfonyl group-containing monomer, fluorosulfonyl group-containing polymer, sulfonic acid group-containing polymer, liquid composition and membrane electrode assembly Download PDF

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Description

本発明は、フルオロスルホニル基含有モノマー、フルオロスルホニル基含有ポリマー、スルホン酸基含有ポリマー、液状組成物、膜電極接合体およびそれらの製造方法に関する。   The present invention relates to a fluorosulfonyl group-containing monomer, a fluorosulfonyl group-containing polymer, a sulfonic acid group-containing polymer, a liquid composition, a membrane electrode assembly, and a method for producing them.

固体高分子形燃料電池用膜電極接合体における触媒層や固体高分子電解質膜、塩化アルカリ電解に用いられる陽イオン交換膜等に含まれるポリマーには、イオン交換容量が高いことが望まれている。イオン交換容量が高いとイオンの導電率が向上するため、たとえば、固体高分子形燃料電池の発電性能の向上や、塩化アルカリ電解における過電圧の低下といった実用上の利点が期待できる。   High ion exchange capacity is desired for the polymer contained in the catalyst layer, the solid polymer electrolyte membrane, the cation exchange membrane used for alkaline chloride electrolysis, etc. in the membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell . When the ion exchange capacity is high, the conductivity of the ions is improved, so that practical advantages such as improvement of the power generation performance of the polymer electrolyte fuel cell and reduction of overvoltage in alkali chloride electrolysis can be expected.

イオン交換容量が高いポリマーとしては、下式(m2)で表されるフルオロスルホニル基含有モノマーに由来する構成単位とテトラフルオロエチレンに由来する構成単位とを有するフルオロスルホニル基含有ポリマーのフルオロスルホニル基(−SOF)をスルホン酸基(−SOH)に変換したスルホン酸基含有ポリマーが提案されている(特許文献1)。 As a polymer having a high ion exchange capacity, a fluorosulfonyl group of a fluorosulfonyl group-containing polymer (having a constitutional unit derived from a fluorosulfonyl group-containing monomer represented by the following formula (m2) and a constitutional unit derived from tetrafluoroethylene ( sulfonic acid group-containing polymer obtained by converting the -SO 2 F) to sulfonic acid group (-SO 3 H) has been proposed (Patent Document 1).

Figure 0006524835
Figure 0006524835

ただし、mは0または1であり、RF1は単結合、炭素数1〜6の直鎖状のペルフルオロアルキレン基、または該ペルフルオロアルキレン基の炭素−炭素原子間にエーテル性酸素原子を有する基であり、RF2は炭素数1〜6の直鎖状のペルフルオロアルキレン基、または該ペルフルオロアルキレン基の炭素−炭素原子間にエーテル性酸素原子を有する基である。 However, m is 0 or 1, and R F1 is a single bond, a linear perfluoroalkylene group having 1 to 6 carbon atoms, or a group having an etheric oxygen atom between carbon-carbon atoms of the perfluoroalkylene group. And R F2 is a linear perfluoroalkylene group having 1 to 6 carbon atoms, or a group having an etheric oxygen atom between carbon-carbon atoms of the perfluoroalkylene group.

特許第5141251号公報Patent No. 5141251 gazette

しかし、式(m2)で表されるフルオロスルホニル基含有モノマーを製造するにあたっては、特許文献1の例2において出発物質とされたCF=CFCFOCFCFSOFを得るまでに合成ステップが2ステップ(米国特許第4273729号明細書等)必要な上に、特許文献1の例2においてCF=CFCFOCFCFSOFから目的のフルオロスルホニル基含有モノマーまでにさらに合成ステップが4ステップ、合計で6ステップ必要である。そのため、式(m2)で表されるフルオロスルホニル基含有モノマーは、製造に手間がかかる。 However, in manufacturing the fluorosulfonyl group-containing monomer represented by the formula (m2) is synthesized until a CF 2 = CFCF 2 OCF 2 CF 2 SO 2 F , which is the starting material in Example 2 of Patent Document 1 In addition to the two-step process (US Pat. No. 4,273,729) and the like, in Example 2 of Patent Document 1, CF 2 CFCFCF 2 OCF 2 CF 2 SO 2 F is further synthesized to the target fluorosulfonyl group-containing monomer. Four steps are required, for a total of six steps. Therefore, the fluorosulfonyl group-containing monomer represented by the formula (m2) takes time to produce.

本発明は、イオン交換容量が高いスルホン酸基含有ポリマーを得ることができ、かつ少ない合成ステップで製造できるフルオロスルホニル基含有モノマー、イオン交換容量が高いスルホン酸基含有ポリマーを得ることができるフルオロスルホニル基含有ポリマー、イオン交換容量を高くできるスルホン酸基含有ポリマー、イオン交換容量が高いポリマーを含む膜を形成できる液状組成物、発電性能に優れた膜電極接合体およびそれらの製造方法を提供する。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can obtain a sulfonic acid group-containing polymer having a high ion exchange capacity, and can produce a fluorosulfonyl group-containing monomer which can be produced in a small number of synthesis steps, and a fluorosulfonyl group containing a sulfonic acid group-containing polymer having a high ion exchange capacity Provided are a group-containing polymer, a sulfonic acid group-containing polymer capable of increasing ion exchange capacity, a liquid composition capable of forming a membrane containing a polymer having high ion exchange capacity, a membrane electrode assembly excellent in power generation performance, and a method for producing them.

本発明は、下記の態様を有する。
[1]下式(m1)で表される、フルオロスルホニル基含有モノマー。

Figure 0006524835
ただし、nは0または1であり、Rf1はペルフルオロアルキレン基、またはペルフルオロアルキレン基の炭素−炭素原子間にエーテル性酸素原子を有する基であり、Xはフッ素原子またはフルオロスルホニル基である。
[2]前記Xがフルオロスルホニル基である、[1]のフルオロスルホニル基含有モノマー。
[3]前記nが1である、[1]または[2]のフルオロスルホニル基含有モノマー。
[4]前記Rf1が−CFCF−である、[1]〜[3]のいずれかのフルオロスルホニル基含有モノマー。
[5]前記[1]〜[4]のいずれかのフルオロスルホニル基含有モノマーに由来する構成単位を有する、フルオロスルホニル基含有ポリマー。
[6]テトラフルオロエチレンに由来する構成単位をさらに有する、[5]のフルオロスルホニル基含有ポリマー。
[7]前記[5]または[6]のフルオロスルホニル基含有ポリマーのフルオロスルホニル基をスルホン酸基に変換した、スルホン酸基含有ポリマー。
[8]前記[7]のスルホン酸基含有ポリマーと、液状媒体とを含む、液状組成物。
[9]触媒層を有するアノードと、触媒層を有するカソードと、前記アノードと前記カソードとの間に配置された固体高分子電解質膜とを備えた固体高分子形燃料電池用膜電極接合体であって、前記カソードの触媒層、前記アノードの触媒層および前記固体高分子電解質膜からなる群から選ばれる少なくとも1つが、[7]のスルホン酸基含有ポリマーを含む、膜電極接合体。
[10]下式(14)で表される化合物とペルフルオロアリル化剤とをあらかじめ混合した液にフッ化物塩を添加して下式(m1)で表される化合物を得る、フルオロスルホニル基含有モノマーの製造方法。
Figure 0006524835
ただし、nは0または1であり、Rf1はペルフルオロアルキレン基、またはペルフルオロアルキレン基の炭素−炭素原子間にエーテル性酸素原子を有する基であり、Xはフッ素原子またはフルオロスルホニル基である。
[11]前記ペルフルオロアリル化剤が、下式(12)で表される化合物である、[10]のフルオロスルホニル基含有モノマーの製造方法。
CF=CFCF−Z (12)
ただし、Zは−OSOF、−OSOf2、塩素原子、臭素原子またはヨウ素原子であり、Rf2はペルフルオロアルキル基である。
[12]前記Xがフルオロスルホニル基である、[10]または[11]のフルオロスルホニル基含有モノマーの製造方法。
[13]前記nが1である、[10]〜[12]のいずれかのフルオロスルホニル基含有モノマーの製造方法。
[14]前記Rf1が−CFCF−である、[10]〜[13]のいずれかのフルオロスルホニル基含有モノマーの製造方法。
[15]前記[10]〜[14]のいずれかの製造方法によってフルオロスルホニル基含有モノマーを製造し、該フルオロスルホニル基含有モノマーを含むモノマー成分を重合して前記フルオロスルホニル基含有モノマーに由来する構成単位を有するフルオロスルホニル基含有ポリマーを得る、フルオロスルホニル基含有ポリマーの製造方法。
[16]前記モノマー成分が、テトラフルオロエチレンをさらに含む、[15]のフルオロスルホニル基含有ポリマーの製造方法。
[17]前記[15]または[16]の製造方法によってフルオロスルホニル基含有ポリマーを製造し、該フルオロスルホニル基含有ポリマーのフルオロスルホニル基をスルホン酸基に変換することによってスルホン酸基含有ポリマーを得る、スルホン酸基含有ポリマーの製造方法。
[18]前記[17]の製造方法によってスルホン酸基含有ポリマーを製造し、該スルホン酸基含有ポリマーと、液状媒体とを混合して液状組成物を得る、液状組成物の製造方法。
[19]触媒層を有するアノードと、触媒層を有するカソードと、前記アノードと前記カソードとの間に配置された固体高分子電解質膜とを備えた固体高分子形燃料電池用膜電極接合体を製造する方法であって、[18]の製造方法によって液状組成物を製造し、該液状組成物と触媒とを混合して触媒層形成用塗工液を調製し、該塗工液を用いて前記カソードおよび前記アノードのいずれか一方または両方の触媒層を形成する、膜電極接合体の製造方法。
[20]触媒層を有するアノードと、触媒層を有するカソードと、前記アノードと前記カソードとの間に配置された固体高分子電解質膜とを備えた固体高分子形燃料電池用膜電極接合体を製造する方法であって、[18]の製造方法によって液状組成物を製造し、該液状組成物を用いて前記固体高分子電解質膜を形成する、膜電極接合体の製造方法。 The present invention has the following aspects.
[1] A fluorosulfonyl group-containing monomer represented by the following formula (m1).
Figure 0006524835
However, n is 0 or 1, R f1 is a perfluoroalkylene group, or a group having an etheric oxygen atom between carbon-carbon atoms of a perfluoroalkylene group, and X is a fluorine atom or a fluorosulfonyl group.
[2] The fluorosulfonyl group-containing monomer of [1], wherein X is a fluorosulfonyl group.
[3] The fluorosulfonyl group-containing monomer of [1] or [2], wherein n is 1.
[4] The fluorosulfonyl group-containing monomer according to any one of [1] to [3], wherein the R f1 is —CF 2 CF 2 —.
[5] A fluorosulfonyl group-containing polymer having a structural unit derived from the fluorosulfonyl group-containing monomer according to any one of the above [1] to [4].
[6] The fluorosulfonyl group-containing polymer of [5], further having a constitutional unit derived from tetrafluoroethylene.
[7] A sulfonic acid group-containing polymer obtained by converting the fluorosulfonyl group of the fluorosulfonyl group-containing polymer of the above [5] or [6] into a sulfonic acid group.
[8] A liquid composition comprising the sulfonic acid group-containing polymer of the above [7] and a liquid medium.
[9] A membrane / electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell comprising an anode having a catalyst layer, a cathode having the catalyst layer, and a solid polymer electrolyte membrane disposed between the anode and the cathode. A membrane electrode assembly, wherein at least one selected from the group consisting of the catalyst layer of the cathode, the catalyst layer of the anode, and the solid polymer electrolyte membrane contains a sulfonic acid group-containing polymer of [7].
[10] A fluorosulfonyl group-containing monomer obtained by adding a fluoride salt to a liquid in which a compound represented by the following formula (14) and a perfluoroallylating agent are mixed in advance to obtain a compound represented by the following formula (m1) Manufacturing method.
Figure 0006524835
However, n is 0 or 1, R f1 is a perfluoroalkylene group, or a group having an etheric oxygen atom between carbon-carbon atoms of a perfluoroalkylene group, and X is a fluorine atom or a fluorosulfonyl group.
[11] A method for producing a fluorosulfonyl group-containing monomer according to [10], wherein the perfluoroallylating agent is a compound represented by the following formula (12).
CF 2 = CFCF 2 -Z (12)
However, Z is -OSO 2 F, -OSO 2 R f2 , a chlorine atom, a bromine atom or an iodine atom, R f2 is a perfluoroalkyl group.
[12] The method for producing a fluorosulfonyl group-containing monomer according to [10] or [11], wherein X is a fluorosulfonyl group.
[13] The method for producing a fluorosulfonyl group-containing monomer according to any one of [10] to [12], wherein n is 1.
[14] The method for producing a fluorosulfonyl group-containing monomer according to any one of [10] to [13], wherein the R f1 is —CF 2 CF 2 —.
[15] A fluorosulfonyl group-containing monomer is produced by the production method of any of the above [10] to [14], and a monomer component containing the fluorosulfonyl group-containing monomer is polymerized to derive from the fluorosulfonyl group-containing monomer The manufacturing method of the fluorosulfonyl group containing polymer which obtains the fluorosulfonyl group containing polymer which has a structural unit.
[16] The method for producing a fluorosulfonyl group-containing polymer of [15], wherein the monomer component further comprises tetrafluoroethylene.
[17] A fluorosulfonyl group-containing polymer is produced by the production method of the above [15] or [16], and a sulfonic acid group-containing polymer is obtained by converting the fluorosulfonyl group of the fluorosulfonyl group-containing polymer into a sulfonic acid group , And a method of producing a sulfonic acid group-containing polymer.
[18] A method for producing a liquid composition, wherein a sulfonic acid group-containing polymer is produced by the production method of the above [17], and the sulfonic acid group-containing polymer and a liquid medium are mixed to obtain a liquid composition.
[19] A membrane / electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell comprising an anode having a catalyst layer, a cathode having a catalyst layer, and a solid polymer electrolyte membrane disposed between the anode and the cathode. It is a method of manufacturing, and a liquid composition is manufactured by the manufacturing method of [18], the liquid composition and a catalyst are mixed to prepare a coating liquid for forming a catalyst layer, and the coating liquid is used. A method of producing a membrane electrode assembly, wherein a catalyst layer of one or both of the cathode and the anode is formed.
[20] A membrane / electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell comprising an anode having a catalyst layer, a cathode having the catalyst layer, and a solid polymer electrolyte membrane disposed between the anode and the cathode. A method for producing a membrane electrode assembly, comprising producing a liquid composition according to the production method of [18], and forming the solid polymer electrolyte membrane using the liquid composition.

本発明のフルオロスルホニル基含有モノマーによれば、イオン交換容量が高いスルホン酸基含有ポリマーを得ることができる。また、本発明のフルオロスルホニル基含有モノマーは、少ない合成ステップで製造できる。
本発明のフルオロスルホニル基含有ポリマーによれば、イオン交換容量が高いスルホン酸基含有ポリマーを得ることができる。
本発明のスルホン酸基含有ポリマーは、イオン交換容量を高くできる。
本発明の液状組成物によれば、イオン交換容量が高いポリマーを含む膜を形成できる。
本発明の膜電極接合体は、発電性能に優れる。
本発明のフルオロスルホニル基含有モノマーの製造方法によれば、イオン交換容量が高いスルホン酸基含有ポリマーを得ることができるフルオロスルホニル基含有モノマーを少ない合成ステップで製造できる。
本発明のフルオロスルホニル基含有ポリマーの製造方法によれば、イオン交換容量が高いスルホン酸基含有ポリマーを得ることができるフルオロスルホニル基含有ポリマーを製造できる。
本発明のスルホン酸基含有ポリマーの製造方法によれば、イオン交換容量が高いスルホン酸基含有ポリマーを製造できる。
本発明の液状組成物の製造方法によれば、イオン交換容量が高いポリマーを含む膜を形成できる液状組成物を製造できる。
本発明の膜電極接合体の製造方法によれば、発電性能に優れる膜電極接合体を製造できる。
According to the fluorosulfonyl group-containing monomer of the present invention, a sulfonic acid group-containing polymer having a high ion exchange capacity can be obtained. In addition, the fluorosulfonyl group-containing monomer of the present invention can be produced with few synthesis steps.
According to the fluorosulfonyl group-containing polymer of the present invention, a sulfonic acid group-containing polymer having a high ion exchange capacity can be obtained.
The sulfonic acid group-containing polymer of the present invention can increase the ion exchange capacity.
According to the liquid composition of the present invention, a membrane containing a polymer having a high ion exchange capacity can be formed.
The membrane electrode assembly of the present invention is excellent in power generation performance.
According to the method for producing a fluorosulfonyl group-containing monomer of the present invention, a fluorosulfonyl group-containing monomer capable of obtaining a sulfonic acid group-containing polymer having a high ion exchange capacity can be produced with a small number of synthesis steps.
According to the method for producing a fluorosulfonyl group-containing polymer of the present invention, a fluorosulfonyl group-containing polymer capable of obtaining a sulfonic acid group-containing polymer having a high ion exchange capacity can be produced.
According to the method for producing a sulfonic acid group-containing polymer of the present invention, it is possible to produce a sulfonic acid group-containing polymer having a high ion exchange capacity.
According to the method for producing a liquid composition of the present invention, it is possible to produce a liquid composition capable of forming a membrane containing a polymer having a high ion exchange capacity.
According to the method for producing a membrane electrode assembly of the present invention, a membrane electrode assembly having excellent power generation performance can be produced.

本発明の膜電極接合体の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of the membrane electrode assembly of this invention. 本発明の膜電極接合体の他の例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the other example of the membrane electrode assembly of this invention.

本明細書においては、式(m1)で表される化合物を、化合物(m1)と記す。他の式で表される化合物も同様に記す。
本明細書においては、式(u1)で表される構成単位を、構成単位(u1)と記す。他の式で表される構成単位も同様に記す。
以下の用語の定義は、本明細書および特許請求の範囲にわたって適用される。
「ポリマー」とは、複数の構成単位から構成された構造を有する化合物を意味する。
「構成単位」とは、モノマーが重合することによって形成された該モノマーに由来する単位を意味する。構成単位は、モノマーの重合反応によって直接形成された単位であってもよく、ポリマーを処理することによって該単位の一部が別の構造に変換された単位であってもよい。
「モノマー」とは、重合反応性の炭素−炭素二重結合を有する化合物を意味する。
「ペルフルオロアリル化剤」とは、CF=CFCF−で表される構造を他の化合物に導入し得る化合物を意味する。
In the present specification, the compound represented by the formula (m1) is referred to as a compound (m1). The compounds represented by other formulas are similarly described.
In the present specification, the constituent unit represented by the formula (u1) is referred to as a constituent unit (u1). The constituent units represented by other formulas are similarly described.
The following definitions of terms apply throughout the specification and claims.
"Polymer" means a compound having a structure composed of a plurality of constituent units.
The "constituent unit" means a unit derived from the monomer formed by polymerization of the monomer. The structural unit may be a unit directly formed by a polymerization reaction of monomers, or may be a unit in which a part of the unit is converted to another structure by treating a polymer.
The term "monomer" means a compound having a polymerizable carbon-carbon double bond.
The "perfluoroallyl agent", CF 2 = CFCF 2 - means a compound capable of introducing the structure represented by the other compounds.

<化合物(m1)>
本発明のフルオロスルホニル基含有モノマーは、化合物(m1)である。
<Compound (m1)>
The fluorosulfonyl group-containing monomer of the present invention is a compound (m1).

Figure 0006524835
Figure 0006524835

nは、0または1であり、より短いステップでの合成が可能となる点から、1が好ましい。   n is preferably 0 or 1, from the viewpoint of enabling synthesis in shorter steps.

f1は、ペルフルオロアルキレン基、またはペルフルオロアルキレン基の炭素−炭素原子間にエーテル性酸素原子を有する基である。
f1としては、−CFCF−、−CF−、−CFCFCF−、−CFCFCFCF−、−CFCF(CF)OCFCFCF−、−CFCF(CF)−等が挙げられ、より短いステップでの合成が可能であり、より高いイオン交換容量が得られる点から、−CFCF−が好ましい。
R f1 is a perfluoroalkylene group or a group having an etheric oxygen atom between carbon-carbon atoms of the perfluoroalkylene group.
The R f1, -CF 2 CF 2 - , - CF 2 -, - CF 2 CF 2 CF 2 -, - CF 2 CF 2 CF 2 CF 2 -, - CF 2 CF (CF 3) OCF 2 CF 2 CF 2 -, - CF 2 CF ( CF 3) - and the like, it can be synthesized in a shorter step, from the viewpoint of higher ion-exchange capacity can be obtained, -CF 2 CF 2 - is preferred.

Xは、フッ素原子またはフルオロスルホニル基であり、イオン交換容量が高いポリマーを得ることができる点から、フルオロスルホニル基が好ましい。   X is a fluorine atom or a fluorosulfonyl group, and a fluorosulfonyl group is preferable from the viewpoint that a polymer having a high ion exchange capacity can be obtained.

化合物(m1)としては、原料の入手性、化合物(m1)の蒸留精製のしやすさ、化合物(m1)の分子量の点から、化合物(m1−1)〜化合物(m1−10)が好ましく、化合物(m1−1)がより好ましい。ただし、xは1以上の整数である。   As the compound (m1), compounds (m1-1) to (m1-10) are preferable from the viewpoint of the availability of raw materials, ease of purification by distillation of the compound (m1), and the molecular weight of the compound (m1), The compound (m1-1) is more preferred. However, x is an integer of 1 or more.

Figure 0006524835
Figure 0006524835

<化合物(m1)の製造方法>
化合物(m1)の製造方法は、化合物(14)とペルフルオロアリル化剤とをあらかじめ混合した液にフッ化物塩を添加して化合物(m1)を得る方法である。
<Method for producing compound (m1)>
The production method of the compound (m1) is a method of obtaining a compound (m1) by adding a fluoride salt to a liquid in which the compound (14) and the perfluoroallylating agent are mixed in advance.

Figure 0006524835
Figure 0006524835

ただし、n、Rf1およびXは、上述したとおりであり、好ましい形態も同様である。MFは、フッ化物塩である。
従来のペルフルオロ−β−サルトン骨格を有する化合物とペルフルオロアリル化剤との反応においては、まず、ペルフルオロ−β−サルトン骨格を有する化合物とフッ化物塩(MF)とを混合してペルフルオロ−β−サルトン骨格を開環させてMO−CF−CF(SOF)−とし、ついで、ペルフルオロアリル化剤を添加していた。しかし、化合物(14)とペルフルオロアリル化剤との反応にこの手順を適用すると、MO−CF−CF(SOF)−構造の分解が生じ、化合物(m1)をまったく得ることができない。本発明においては、化合物(14)とペルフルオロアリル化剤とをあらかじめ混合した液にフッ化物塩を添加することによって、化合物(m1)を得ることができる。
However, n, R f1 and X are as described above, and preferred embodiments are also the same. MF is a fluoride salt.
In the reaction of a compound having a conventional perfluoro-β-sultone skeleton with a perfluoroallylating agent, first, a compound having a perfluoro-β-sultone skeleton and a fluoride salt (MF) are mixed to obtain perfluoro-β-sultone skeleton by ring-opening a by MO-CF 2 -CF (SO 2 F) - and is, then, was added perfluoroallyl agent. However, applying this procedure the compound (14) in the reaction with perfluoroallyl agent, MO-CF 2 -CF (SO 2 F) - decomposition of the structure occurs, it is impossible to obtain the compound (m1) at all. In the present invention, the compound (m1) can be obtained by adding a fluoride salt to a solution in which the compound (14) and the perfluoroallylating agent are mixed in advance.

化合物(14)とペルフルオロアリル化剤とを混合した液は、非プロトン性の極性溶媒を含むことが好ましい。
非プロトン性の極性溶媒としては、モノグライム、ジグライム、トリグライム、テトラグライム、アセトニトリル、プロピオニトリル、アジポニトリル、ベンゾニトリル、ジオキサン、テトラヒドロフラン、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、N−メチルピロリドン、ニトロエタン等が挙げられる。
It is preferable that the liquid which mixed the compound (14) and the perfluoro allylating agent contains an aprotic polar solvent.
Examples of the aprotic polar solvent include monoglyme, diglyme, triglyme, tetraglyme, acetonitrile, propionitrile, adiponitrile, adiponitrile, benzonitrile, dioxane, tetrahydrofuran, dimethylformamide, dimethylsulfoxide, N-methylpyrrolidone, nitroethane and the like.

フッ化物塩としては、フッ化カリウム、フッ化セシウム、フッ化銀、第四級アンモニウムフルオリド等が挙げられ、反応性とコストの点から、フッ化セシウム、フッ化カリウムが好ましい。
フッ化物塩は、化合物(14)とペルフルオロアリル化剤とを混合した液に、一括で添加してもよく、断続的または連続的に添加してもよい。
反応温度は、化合物(m1)の収率が比較的よい点から、−70〜0℃が好ましく、−50〜−20℃がより好ましい。
Examples of the fluoride salt include potassium fluoride, cesium fluoride, silver fluoride, quaternary ammonium fluoride and the like, and from the viewpoint of reactivity and cost, cesium fluoride and potassium fluoride are preferable.
The fluoride salt may be added all at once to the mixed solution of compound (14) and the perfluoroallylating agent, or may be added intermittently or continuously.
The reaction temperature is preferably -70 to 0 ° C, more preferably -50 to -20 ° C, from the viewpoint that the yield of the compound (m1) is relatively good.

(ペルフルオロアリル化剤)
ペルフルオロアリル化剤としては、原料の入手性、ペルフルオロアリル化の反応性の点から、化合物(12)が好ましい。
CF=CFCF−Z (12)
ただし、Zは−OSOF、−OSOf2、塩素原子、臭素原子またはヨウ素原子であり、Rf2はペルフルオロアルキル基である。
(Perfluoro allylation agent)
As the perfluoroallylating agent, compound (12) is preferred from the viewpoint of availability of raw materials and reactivity of perfluoroallylation.
CF 2 = CFCF 2 -Z (12)
However, Z is -OSO 2 F, -OSO 2 R f2 , a chlorine atom, a bromine atom or an iodine atom, R f2 is a perfluoroalkyl group.

化合物(12)としては、原料の入手性、ペルフルオロアリル化の反応性、合成の簡便さの点から、化合物(12−1)が好ましい。
CF=CFCF−OSOF (12−1)
化合物(12−1)の製造方法は、後述する。
As the compound (12), the compound (12-1) is preferable in terms of availability of raw materials, reactivity of perfluoro allylation, and ease of synthesis.
CF 2 = CFCF 2 -OSO 2 F (12-1)
The manufacturing method of a compound (12-1) is mentioned later.

(化合物(14))
化合物(14)は、たとえば、化合物(13)と三酸化硫黄とを反応させることによって得られる。三酸化硫黄としては、たとえば、濃硫酸に三酸化硫黄を吸収させた発煙硫酸が用いられる。また、市販の安定化無水硫酸、前記発煙硫酸、または安定化無水硫酸を蒸留して得られる三酸化硫黄も用いられる。
(Compound (14))
Compound (14) is obtained, for example, by reacting compound (13) with sulfur trioxide. As sulfur trioxide, for example, fuming sulfuric acid obtained by absorbing sulfur trioxide in concentrated sulfuric acid is used. In addition, commercially available stabilized anhydrous sulfuric acid, the above fuming sulfuric acid, or sulfur trioxide obtained by distillation of the stabilized anhydrous sulfuric acid can also be used.

Figure 0006524835
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ただし、n、Rf1およびXは、上述したとおりであり、好ましい形態も同様である。
化合物(14)としては、原料の入手性、化合物(14)の蒸留精製のしやすさ、合成の簡便さ、コストの点から、化合物(14−1)〜化合物(14−10)が好ましく、化合物(14−1)がより好ましい。ただし、xは1以上の整数である。
However, n, R f1 and X are as described above, and preferred embodiments are also the same.
As the compound (14), the compounds (14-1) to (14-10) are preferable in terms of availability of raw materials, ease of purification by distillation of the compound (14), ease of synthesis and cost. Compound (14-1) is more preferred. However, x is an integer of 1 or more.

Figure 0006524835
Figure 0006524835

(化合物(13))
化合物(13)としては、原料の入手性、化合物(13)の蒸留精製のしやすさ、合成の簡便さ、コストの点から、化合物(13−1)〜化合物(13−10)が好ましく、化合物(13−1)がより好ましい。
CF=CF−CF−O−CFCF−SOF (13−1)
CF=CF−CF−CFCF−F (13−2)
CF=CF−(CFCF−F (13−3)
CF=CF−CF−CF−SOF (13−4)
CF=CF−CF−CFCFCF−SOF (13−5)
CF=CF−CF−O−CF−F (13−6)
CF=CF−CF−O−CFCF−F (13−7)
CF=CF−CF−O−CFCFCF−F (13−8)
CF=CF−CF−O−CFCF(CF)OCFCFCF−F (13−9)
CF=CF−CF−O−CFCF(CF)−SOF (13−10)
ただし、xは1以上の整数である。
(Compound (13))
As the compound (13), the compounds (13-1) to (13-10) are preferable in terms of availability of raw materials, ease of purification by distillation of the compound (13), ease of synthesis, and cost. Compound (13-1) is more preferred.
CF 2 = CF-CF 2 -O -CF 2 CF 2 -SO 2 F (13-1)
CF 2 = CF-CF 2 -CF 2 CF 2 -F (13-2)
CF 2 = CF- (CF 2 CF 2) x -F (13-3)
CF 2 = CF-CF 2 -CF 2 -SO 2 F (13-4)
CF 2 = CF-CF 2 -CF 2 CF 2 CF 2 -SO 2 F (13-5)
CF 2 = CF-CF 2 -O -CF 2 -F (13-6)
CF 2 = CF-CF 2 -O -CF 2 CF 2 -F (13-7)
CF 2 = CF-CF 2 -O -CF 2 CF 2 CF 2 -F (13-8)
CF 2 = CF-CF 2 -O -CF 2 CF (CF 3) OCF 2 CF 2 CF 2 -F (13-9)
CF 2 = CF-CF 2 -O -CF 2 CF (CF 3) -SO 2 F (13-10)
However, x is an integer of 1 or more.

化合物(13−1)は、米国特許第4273729号明細書、米国特許出願公開第2005/0037265号明細書、特開2010−018674号公報等に記載の方法で製造できる。具体的には、三フッ化ホウ素の存在下に化合物(11)と三酸化硫黄とを反応させることによって化合物(12−1)を得て、フッ化物塩の存在下に化合物(12−1)とFC(=O)CFSOFとを反応させて得られる。 The compound (13-1) can be produced by the method described in U.S. Pat. No. 4,273,729, U.S. Patent Application Publication No. 2005/0037265, JP-A No. 2010-018674 and the like. Specifically, compound (12-1) is obtained by reacting compound (11) with sulfur trioxide in the presence of boron trifluoride, and compound (12-1) in the presence of a fluoride salt. obtained by reacting a FC (= O) CF 2 SO 2 F and.

Figure 0006524835
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FC(=O)CFSOFは、テトラフルオロエチレンと三酸化硫黄とを反応させてテトラフルオロ−β−サルトンを得て、テトラフルオロ−β−サルトンにフッ化物塩を添加して開環させることによって得られる。 FC (= O) CF 2 SO 2 F is reacted with tetrafluoroethylene and sulfur trioxide to obtain tetrafluoro-β-sultone, which is opened by adding a fluoride salt to tetrafluoro-β-sultone It is obtained by

Figure 0006524835
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化合物(13−2)は、特開2004−26800号公報の実施例10に記載の方法と同様の方法によって製造できる。具体的には、CFCFCFCFCFIをマグネシウム等の還元性を持つ金属の存在下、脱ハロゲン化することで得られる。CFCFCFCFCFIは、CFIとテトラフルオロエチレンとのテロメリゼーションによって得られる。 A compound (13-2) can be manufactured by the method similar to the method as described in Example 10 of Unexamined-Japanese-Patent No. 2004-26800. Specifically, CF 3 CF 2 CF 2 CF 2 CF 2 I is obtained by dehalogenation in the presence of a metal having reducibility such as magnesium. CF 3 CF 2 CF 2 CF 2 CF 2 I is obtained by telomerization of CF 3 I with tetrafluoroethylene.

化合物(13−3)は、CFCFIとテトラフルオロエチレンとのテロメリゼーションにおいて、テトラフルオロエチレンの仕込み当量を適宜選択することによって、炭素数の異なるヨウ素化化合物CFCF−(CFCF−Iを得た後、該ヨウ素化化合物を脱ハロゲン化することによって得られる。 In the telomerization of CF 3 CF 2 I with tetrafluoroethylene, the compound (13-3) is an iodinated compound CF 3 CF 2- (with different numbers of carbon atoms, by appropriately selecting the preparation equivalent of tetrafluoroethylene). After CF 2 CF 2 ) x -I is obtained, it is obtained by dehalogenating the iodinated compound.

化合物(13−4)は、特表2002−528433号公報の実施例1に記載の方法によって製造できる。具体的には、米国特許第5350821号明細書の実施例1に記載の方法によって合成したCFClCFClCFCFIを、アジチオン酸ナトリウムの存在下でスルフィン化させてCFClCFClCFCFSONaを得て、水中で塩素と反応させることでCFClCFClCFCFSOClを得て、フッ化カリウムの存在下ハロゲン交換することでCFClCFClCFCFSOFを得て、最後に亜鉛の存在下で脱塩素反応させることによって得られる。 Compound (13-4) can be produced by the method described in Example 1 of JP-A-2002-528433. Specifically, CF 2 ClCFClCF 2 CF 2 I synthesized by the method described in Example 1 of US Pat. No. 5,350,821 is sulfinized in the presence of sodium adithionite to CF 2 ClCFClCF 2 CF 2 SO 2 2 Na is obtained and reacted with chlorine in water to obtain CF 2 ClCF ClCF 2 CF 2 SO 2 Cl, and halogen exchanged in the presence of potassium fluoride to obtain CF 2 ClCFClCF 2 CF 2 SO 2 F Finally, it is obtained by dechlorination in the presence of zinc.

化合物(13−5)は、米国特許第5350821号明細書の実施例1に記載の方法によって合成したCFClCFClCFCFCFCFIを用い、化合物(13−4)と同様の方法によって得られる。CFClCFClCFCFCFCFIを選択率よく得るためには、米国特許第5350821号明細書の実施例1の条件において使用されるテトラフルオロエチレンの当量を増やせばよいことは、当業者にとって容易に想起できる。 Compound (13-5) was prepared by the same method as Compound (13-4), using CF 2 ClCFClCF 2 CF 2 CF 2 CF 2 I synthesized by the method described in Example 1 of US Pat. No. 5,350,821. Obtained by In order to obtain CF 2 ClCFClCF 2 CF 2 CF 2 CF 2 I with high selectivity, it is possible to increase the equivalent of tetrafluoroethylene used in the conditions of Example 1 of US Pat. No. 5,350,821. It can be easily recalled by the contractor.

化合物(13−6)〜化合物(13−8)は、Molecules,2011年,16,p.6512−6540に記載の方法によって製造できる。具体的には、種々の炭素数のペルフルオロアルキルカルボン酸フルオリドとフッ化物塩との混合物に、ペルフルオロアリル化剤を添加し、反応させることによって得られる。   Compounds (13-6) to (13-8) are described in Molecules, 2011, 16, p. It can manufacture by the method as described in 6512-6540. Specifically, it is obtained by adding a perfluoroallylizing agent to a mixture of perfluoroalkylcarboxylic acid fluorides of various carbon numbers and fluoride salts and reacting them.

化合物(13−9)は、米国特許第4273729号明細書の実施例16に記載の方法によって製造できる。具体的には、ヘキサフルオロプロペンオキシド2量体とフッ化物塩との混合物に、ペルフルオロアリル化剤を添加し反応させることによって得られる。   Compound (13-9) can be produced by the method described in Example 16 of US Pat. No. 4,273,729. Specifically, a mixture of hexafluoropropene oxide dimer and a fluoride salt is obtained by adding and reacting a perfluoroallylizing agent.

化合物(13−10)は、米国特許第4273729号明細書の実施例9に記載の方法によって製造できる。具体的には、ヘキサフルオロプロペンと三酸化硫黄との反応により得られるペルフルオロプロパン−2,3−サルトンと、フッ化物塩とを混合して得られるMO−CF−CF(CF)−SOFに、ペルフルオロアリル化剤を添加し反応させることによって得られる。 Compound (13-10) can be produced by the method described in Example 9 of US Pat. No. 4,273,729. Specifically, MO-CF 2 -CF (CF 3 ) -SO obtained by mixing perfluoropropane-2,3-sultone obtained by the reaction of hexafluoropropene with sulfur trioxide and a fluoride salt. It is obtained by adding and reacting a perfluoroallylating agent to 2 F.

(作用機序)
以上説明した化合物(m1)にあっては、比較的分子量が低い化合物であるため、化合物(m1)に由来する構成単位を有するフルオロスルホニル基含有ポリマーのフルオロスルホニル基をスルホン酸基に変換したスルホン酸基含有ポリマーにおいて、スルホン酸基の1つあたりの分子量を低くすることができる。特に、化合物(m1)のXがフルオロスルホニル基の場合は、スルホン酸基含有ポリマーにおけるスルホン酸基の1つあたりの分子量をさらに低くすることができる。そのため、イオン交換容量が高いスルホン酸基含有ポリマーを得ることができる。
また、以上説明した化合物(m1)の製造方法にあっては、比較的少ない合成ステップで得られる化合物(14)を用いている。たとえば化合物(11)から化合物(14−1)までの合成ステップが3ステップである。そのため、化合物(m1−1)を少ない合成ステップ(4ステップ)で製造できる。
(Mechanism of action)
Since the compound (m1) described above is a compound having a relatively low molecular weight, a sulfone obtained by converting the fluorosulfonyl group of the fluorosulfonyl group-containing polymer having a structural unit derived from the compound (m1) into a sulfonic acid group In the acid group-containing polymer, the molecular weight per sulfonic acid group can be lowered. In particular, when X in the compound (m1) is a fluorosulfonyl group, the molecular weight per sulfonic acid group in the sulfonic acid group-containing polymer can be further lowered. Therefore, a sulfonic acid group-containing polymer having a high ion exchange capacity can be obtained.
Further, in the method for producing the compound (m1) described above, the compound (14) obtained by a relatively small number of synthesis steps is used. For example, the synthesis step from compound (11) to compound (14-1) is three steps. Therefore, a compound (m1-1) can be manufactured by few synthetic | combination steps (4 steps).

<ポリマー(F)>
本発明のフルオロスルホニル基含有ポリマー(以下、ポリマー(F)とも記す。)は、化合物(m1)に由来する構成単位(u1)を有する。
<Polymer (F)>
The fluorosulfonyl group-containing polymer of the present invention (hereinafter, also referred to as polymer (F)) has a constituent unit (u1) derived from the compound (m1).

Figure 0006524835
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ただし、n、Rf1およびXは、上述したとおりであり、好ましい形態も同様である。
構成単位(u1)としては、原料の入手性、化合物(m1)の蒸留精製のしやすさ、合成の簡便さ、コストの点から、構成単位(u1−1)〜構成単位(u1−10)が好ましく、構成単位(u1−1)がより好ましい。ただし、xは1以上の整数である。
However, n, R f1 and X are as described above, and preferred embodiments are also the same.
As the structural unit (u1), structural unit (u1-1) to structural unit (u1-10) from the viewpoint of availability of raw materials, ease of purification by distillation of compound (m1), simplicity of synthesis, and cost Are preferred, and structural unit (u1-1) is more preferred. However, x is an integer of 1 or more.

Figure 0006524835
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ポリマー(F)は、テトラフルオロエチレン(以下、TFEとも記す。)に由来する構成単位をさらに有することが好ましい。TFEは高い結晶性を有するため、後述するスルホン酸基含有ポリマーが含水した際の膨潤を抑える効果があり、スルホン酸基含有ポリマーの含水率を低減できる。   The polymer (F) preferably further has a structural unit derived from tetrafluoroethylene (hereinafter also referred to as TFE). Since TFE has high crystallinity, it has an effect of suppressing swelling when a sulfonic acid group-containing polymer to be described later is hydrated, and the water content of the sulfonic acid group-containing polymer can be reduced.

ポリマー(F)は、化合物(m1)およびTFE以外の他のモノマーに由来する構成単位をさらに有していてもよい。
他のモノマーとしては、クロロトリフルオロエチレン、トリフルオロエチレン、フッ化ビニリデン、フッ化ビニル、エチレン、プロピレン、ペルフルオロ(3−ブテニルビニルエーテル)、ペルフルオロ(アリルビニルエーテル)、ペルフルオロα−オレフィン(ヘキサフルオロプロピレン等)、(ペルフルオロアルキル)エチレン((ペルフルオロブチル)エチレン等)、(ペルフルオロアルキル)プロペン(3−ペルフルオロオクチル−1−プロペン等)、ペルフルオロ(アルキルビニルエーテル)、国際公開第2011/013578号に記載の5員環を有するペルフルオロポリマー等が挙げられる。
The polymer (F) may further have a structural unit derived from a compound (m1) and another monomer other than TFE.
Other monomers include chlorotrifluoroethylene, trifluoroethylene, vinylidene fluoride, vinyl fluoride, ethylene, propylene, perfluoro (3-butenyl vinyl ether), perfluoro (allyl vinyl ether), perfluoro α-olefin (hexafluoropropylene) Etc.), (perfluoroalkyl) ethylene ((perfluorobutyl) ethylene etc.), (perfluoroalkyl) propene (3-perfluorooctyl-1-propene etc.), perfluoro (alkyl vinyl ether), as described in WO 2011/013578 The perfluoropolymer etc. which have a 5 membered ring are mentioned.

ポリマー(F)を構成する全構成単位の100モル%のうちの構成単位(u1)、TFEに由来する構成単位、他のモノマーに由来する構成単位の割合は、スルホン酸基含有ポリマーに要求される特性(イオン交換容量、機械的強度等)に応じて適宜決定すればよい。   The proportion of the structural unit (u1), the structural unit derived from TFE, and the structural unit derived from another monomer out of 100 mol% of the total structural units constituting the polymer (F) is required for the sulfonic acid group-containing polymer It may be determined appropriately according to the characteristics (ion exchange capacity, mechanical strength, etc.).

ポリマー(F)のTQ値は、200〜330℃が好ましい。ポリマー(F)のTQ値が前記下限値以上であれば、スルホン酸基含有ポリマーが充分な分子量を有し、機械的強度にも優れる。ポリマー(F)のTQ値が前記上限値以下であれば、スルホン酸基含有ポリマーの溶解性または分散性がよくなり、後述する液状組成物を調製しやすい。
TQ値は、ポリマーの分子量の指標であり、長さ1mm、内径1mmのノズルを用い、2.94MPaの押出し圧力の条件でポリマー(F)の溶融押出しを行った際の押出し量が100mm/秒となる温度である。
The TQ value of the polymer (F) is preferably 200 to 330 ° C. If the TQ value of the polymer (F) is not less than the above lower limit value, the sulfonic acid group-containing polymer has a sufficient molecular weight and is excellent in mechanical strength. If the TQ value of the polymer (F) is not more than the above upper limit, the solubility or dispersibility of the sulfonic acid group-containing polymer is improved, and it is easy to prepare a liquid composition described later.
The TQ value is an index of the molecular weight of the polymer, and the amount of extrusion when melt extruding the polymer (F) under the conditions of an extrusion pressure of 2.94 MPa using a nozzle with a length of 1 mm and an inner diameter of 1 mm is 100 mm 3 / It is the temperature which becomes a second.

<ポリマー(F)の製造方法>
ポリマー(F)の製造方法は、上述した化合物(m1)の製造方法によって化合物(m1)を製造し、化合物(m1)、必要に応じてTFE、他のモノマーを含むモノマー成分を重合してポリマー(F)を得る方法である。
<Method of producing polymer (F)>
The polymer (F) is produced by producing the compound (m1) according to the method for producing the compound (m1) described above, and polymerizing a monomer component containing the compound (m1), and optionally TFE and other monomers. It is a method to obtain (F).

重合法としては、バルク重合法、溶液重合法、懸濁重合法、乳化重合法等の公知の重合法が挙げられる。また、液体または超臨界の二酸化炭素中にて重合を行ってもよい。
重合は、ラジカルが生起する条件で行われる。ラジカルを生起させる方法としては、紫外線、γ線、電子線等の放射線を照射する方法、ラジカル開始剤を添加する方法等が挙げられる。
重合温度は、通常、10〜150℃である。
Examples of the polymerization method include known polymerization methods such as bulk polymerization, solution polymerization, suspension polymerization and emulsion polymerization. The polymerization may also be carried out in liquid or supercritical carbon dioxide.
The polymerization is carried out under conditions that give rise to radicals. Examples of a method of generating a radical include a method of irradiating radiation such as ultraviolet light, γ-ray and electron beam, and a method of adding a radical initiator.
The polymerization temperature is usually 10 to 150 ° C.

ラジカル開始剤としては、ビス(フルオロアシル)ペルオキシド類、ビス(クロロフルオロアシル)ペルオキシド類、ジアルキルペルオキシジカーボネート類、ジアシルペルオキシド類、ペルオキシエステル類、アゾ化合物類、過硫酸塩類等が挙げられ、不安定末端基が少ないポリマー(F)が得られる点から、ビス(フルオロアシル)ペルオキシド類等のペルフルオロ化合物が好ましい。   Examples of the radical initiator include bis (fluoroacyl) peroxides, bis (chlorofluoroacyl) peroxides, dialkylperoxydicarbonates, diacylperoxides, peroxyesters, azo compounds, persulfates, etc. Perfluoro compounds such as bis (fluoroacyl) peroxides are preferred from the viewpoint of obtaining a polymer (F) having a small number of stable end groups.

溶液重合法にて用いる溶媒としては、20〜350℃の沸点を有する溶媒が好ましく、40〜150℃の沸点を有する溶媒がより好ましい。溶媒としては、ペルフルオロトリアルキルアミン類(ペルフルオロトリブチルアミン等)、ペルフルオロカーボン類(ペルフルオロヘキサン、ペルフルオロオクタン等)、ハイドロフルオロカーボン類(1H,4H−ペルフルオロブタン、1H−ペルフルオロヘキサン等)、ハイドロクロロフルオロカーボン類(3,3−ジクロロ−1,1,1,2,2−ペンタフルオロプロパン、1,3−ジクロロ−1,1,2,2,3−ペンタフルオロプロパン等)、ハイドロフルオロエーテル類(CFCHOCFCFH等)が挙げられる。 As a solvent used by a solution polymerization method, the solvent which has a boiling point of 20-350 degreeC is preferable, and the solvent which has a boiling point of 40-150 degreeC is more preferable. As the solvent, perfluorotrialkylamines (perfluorotributylamine etc.), perfluorocarbons (perfluorohexane, perfluorooctane etc.), hydrofluorocarbons (1H, 4H-perfluorobutane, 1H-perfluorohexane etc.), hydrochlorofluorocarbons (3,3-dichloro-1,1,1,2,2-pentafluoropropane, 1,3-dichloro-1,1,2,2,3-pentafluoropropane etc.), hydrofluoroethers (CF 3 CH 2 OCF 2 CF 2 H, etc.).

溶液重合法においては、溶媒中にモノマー、ラジカル開始剤等を添加し、溶媒中にてラジカルを生起させてモノマーの重合を行う。モノマーおよび開始剤の添加は、一括添加であってもよく、逐次添加であってもよく、連続添加であってもよい。   In the solution polymerization method, monomers, radical initiators and the like are added to a solvent, and radicals are generated in the solvent to polymerize the monomers. The addition of the monomer and the initiator may be simultaneous addition, sequential addition, or continuous addition.

懸濁重合法においては、水を分散媒として用い、該分散媒中にモノマー、非イオン性のラジカル開始剤等を添加し、分散媒中にてラジカルを生起させてモノマーの重合を行う。
非イオン性のラジカル開始剤としては、ビス(フルオロアシル)ペルオキシド類、ビス(クロロフルオロアシル)ペルオキシド類、ジアルキルペルオキシジカーボネート類、ジアシルペルオキシド類、ペルオキシエステル類、ジアルキルペルオキシド類、ビス(フルオロアルキル)ペルオキシド類、アゾ化合物類等が挙げられる。
分散媒には、助剤として前記溶媒;懸濁粒子の凝集を防ぐ分散安定剤として界面活性剤;分子量調整剤として炭化水素系化合物(ヘキサン、メタノール等)等を添加してもよい。
In the suspension polymerization method, water is used as a dispersion medium, and a monomer, a nonionic radical initiator and the like are added to the dispersion medium to generate radicals in the dispersion medium to polymerize the monomer.
Nonionic radical initiators include bis (fluoroacyl) peroxides, bis (chlorofluoroacyl) peroxides, dialkylperoxydicarbonates, diacylperoxides, peroxyesters, dialkylperoxides, bis (fluoroalkyl) Peroxides, azo compounds and the like can be mentioned.
The dispersion medium may be added with the above-described solvent as an auxiliary agent; a surfactant as a dispersion stabilizer to prevent aggregation of suspended particles; a hydrocarbon compound (hexane, methanol, etc.) as a molecular weight modifier.

(作用機序)
以上説明したポリマー(F)にあっては、比較的分子量が低い化合物(m1)に由来する構成単位(u1)を有する。また、以上説明したポリマー(F)の製造方法にあっては、比較的分子量が低い化合物(m1)を含むモノマー成分を重合してポリマー(F)を得ている。そのため、ポリマー(F)のフルオロスルホニル基をスルホン酸基に変換したスルホン酸基含有ポリマーにおいて、スルホン酸基の1つあたりの分子量を低くすることができる。特に、化合物(m1)のXがフルオロスルホニル基の場合は、スルホン酸基含有ポリマーにおけるスルホン酸基の1つあたりの分子量をさらに低くすることができる。そのため、イオン交換容量が高いスルホン酸基含有ポリマーを得ることができる。
(Mechanism of action)
The polymer (F) described above has a structural unit (u1) derived from the compound (m1) having a relatively low molecular weight. Further, in the method for producing the polymer (F) described above, the polymer component (F) is obtained by polymerizing monomer components including the compound (m1) having a relatively low molecular weight. Therefore, in the sulfonic acid group-containing polymer obtained by converting the fluorosulfonyl group of the polymer (F) into a sulfonic acid group, the molecular weight per one sulfonic acid group can be lowered. In particular, when X in the compound (m1) is a fluorosulfonyl group, the molecular weight per sulfonic acid group in the sulfonic acid group-containing polymer can be further lowered. Therefore, a sulfonic acid group-containing polymer having a high ion exchange capacity can be obtained.

<ポリマー(H)>
本発明のスルホン酸基含有ポリマー(以下、ポリマー(H)とも記す。)は、ポリマー(F)のフルオロスルホニル基をスルホン酸基に変換したポリマーであり、構成単位(u’1)を有する。
<Polymer (H)>
The sulfonic acid group-containing polymer (hereinafter also referred to as polymer (H)) of the present invention is a polymer obtained by converting a fluorosulfonyl group of the polymer (F) into a sulfonic acid group, and has a structural unit (u′1).

Figure 0006524835
Figure 0006524835

ただし、nおよびRf1は、上述したとおりであり、好ましい形態も同様である。X’は、フッ素原子またはスルホン酸基である。
構成単位(u’1)としては、原料の入手性、化合物(m1)の蒸留精製のしやすさ、合成の簡便さ、コストの点から、構成単位(u’1−1)〜構成単位(u’1−10)が好ましく、構成単位(u’1−1)がより好ましい。ただし、xは1以上の整数である。
However, n and R f1 are as described above, and preferred embodiments are also the same. X 'is a fluorine atom or a sulfonic acid group.
As the structural unit (u′1), from the viewpoint of the availability of raw materials, the ease of purification by distillation of the compound (m1), the simplicity of synthesis, and the cost, structural unit (u′1-1) to structural unit ( u′1-10) is preferable, and the structural unit (u′1-1) is more preferable. However, x is an integer of 1 or more.

Figure 0006524835
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ポリマー(H)は、TFEに由来する構成単位をさらに有することが好ましく、化合物(m1)およびTFE以外の他のモノマーに由来する構成単位をさらに有していてもよい。   The polymer (H) preferably further has a constituent unit derived from TFE, and may further contain a constituent unit derived from the compound (m1) and another monomer other than TFE.

ポリマー(H)のイオン交換容量は、0.5〜2.5ミリ当量/g乾燥樹脂が好ましく、1.3〜2.3ミリ当量/g乾燥樹脂がより好ましい。イオン交換容量が前記範囲の下限値以上であれば、ポリマー(H)の導電性が高くなるため、固体高分子形燃料電池の触媒層に用いた場合、充分な電池出力を得ることできる。イオン交換容量が前記範囲の上限値以下であれば、ポリマー(H)が含水した際の膨潤が抑えられる。   The ion exchange capacity of the polymer (H) is preferably 0.5 to 2.5 meq / g dry resin, more preferably 1.3 to 2.3 meq / g dry resin. When the ion exchange capacity is at least the lower limit value of the above range, the conductivity of the polymer (H) becomes high, and therefore, when used in the catalyst layer of the polymer electrolyte fuel cell, a sufficient cell output can be obtained. When the ion exchange capacity is not more than the upper limit value of the above range, the swelling when the polymer (H) is hydrated can be suppressed.

<ポリマー(H)の製造>
ポリマー(H)の製造方法は、ポリマー(F)の製造方法によってポリマー(F)を製造し、該ポリマー(F)のフルオロスルホニル基をスルホン酸基に変換することによってポリマー(H)を得る方法である。
<Manufacture of polymer (H)>
The method for producing a polymer (H) is a method for producing a polymer (H) by producing a polymer (F) by a method of producing a polymer (F) and converting a fluorosulfonyl group of the polymer (F) into a sulfonic acid group It is.

フルオロスルホニル基をスルホン酸基に変換する方法としては、ポリマー(F)のフルオロスルホニル基を加水分解してスルホン酸塩とし、スルホン酸塩を酸型化してスルホン酸基に変換する方法が挙げられる。   As a method of converting a fluorosulfonyl group to a sulfonic acid group, there is mentioned a method of hydrolyzing a fluorosulfonyl group of a polymer (F) to form a sulfonic acid salt and converting the sulfonic acid salt to an acid form to convert it to a sulfonic acid group .

加水分解は、たとえば、溶媒中にてポリマー(F)と塩基性化合物とを接触させて行う。塩基性化合物としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等が挙げられる。溶媒としては、水、水と極性溶媒との混合溶媒等が挙げられる。極性溶媒としては、アルコール(メタノール、エタノール等)、ジメチルスルホキシド等が挙げられる。
酸型化は、たとえば、スルホン酸塩を有するポリマーを、塩酸、硫酸等の水溶液に接触させて行う。
加水分解および酸型化は、通常、0〜120℃にて行う。
The hydrolysis is carried out, for example, by bringing the polymer (F) and the basic compound into contact in a solvent. As the basic compound, sodium hydroxide, potassium hydroxide and the like can be mentioned. Examples of the solvent include water, a mixed solvent of water and a polar solvent, and the like. Examples of the polar solvent include alcohols (methanol, ethanol and the like), dimethyl sulfoxide and the like.
Acidification is carried out, for example, by bringing a polymer having a sulfonate into contact with an aqueous solution such as hydrochloric acid or sulfuric acid.
The hydrolysis and acidification are usually carried out at 0 to 120 ° C.

(作用機序)
以上説明したポリマー(H)にあっては、ポリマー(F)のフルオロスルホニル基をスルホン酸基に変換したポリマーであるため、イオン交換容量を高くできる。
また、以上説明したポリマー(H)の製造方法にあっては、ポリマー(F)のフルオロスルホニル基をスルホン酸基に変換しているため、イオン交換容量が高いポリマー(H)を製造できる。
(Mechanism of action)
In the polymer (H) described above, since it is a polymer obtained by converting the fluorosulfonyl group of the polymer (F) into a sulfonic acid group, the ion exchange capacity can be increased.
Further, in the method for producing the polymer (H) described above, since the fluorosulfonyl group of the polymer (F) is converted to a sulfonic acid group, the polymer (H) having a high ion exchange capacity can be produced.

<液状組成物>
本発明の液状組成物は、ポリマー(H)と、液状媒体とを含む。
本発明の液状組成物は、液状媒体中にポリマー(H)が分散したものであってもよく、液状媒体中にポリマー(H)が溶解したものであってもよい。
<Liquid composition>
The liquid composition of the present invention comprises a polymer (H) and a liquid medium.
The liquid composition of the present invention may be one in which the polymer (H) is dispersed in a liquid medium, or one in which the polymer (H) is dissolved in a liquid medium.

(液状媒体)
液状媒体としては、水と、有機溶媒とを含むものが好ましい。
水は、液状媒体に対するポリマー(H)の分散性または溶解性を向上させる。
有機溶媒は、割れにくい触媒層や固体高分子電解質膜を形成しやすくする。
(Liquid medium)
The liquid medium preferably contains water and an organic solvent.
Water improves the dispersibility or solubility of the polymer (H) in the liquid medium.
The organic solvent facilitates the formation of a catalyst layer and a solid polymer electrolyte membrane that are resistant to cracking.

有機溶媒としては、割れにくい触媒層や固体高分子電解質膜を形成しやすい点から、炭素数が1〜4のアルコールの1種以上が好ましい。
炭素数が1〜4のアルコールとしては、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、1−ブタノール、2,2,2−トリフルオロエタノール、2,2,3,3,3−ペンタフルオロ−1−プロパノール、2,2,3,3−テトラフルオロ−1−プロパノール、1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロ−2−プロパノール、3,3,3−トリフルオロ−1−プロパノール等が挙げられる。
The organic solvent is preferably at least one alcohol having a carbon number of 1 to 4 from the viewpoint of easily forming a catalyst layer and a solid polymer electrolyte membrane that are resistant to cracking.
As the alcohol having 1 to 4 carbon atoms, methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, 2,2,2-trifluoroethanol, 2,2,3,3,3-pentafluoro- 1-propanol, 2,2,3,3-tetrafluoro-1-propanol, 1,1,1,3,3,3-hexafluoro-2-propanol, 3,3,3-trifluoro-1-propanol Etc.

水の割合は、水と有機溶媒との合計(100質量%)のうち、10〜99質量%が好ましく、20〜99質量%がより好ましい。
有機溶媒の割合は、水と有機溶媒との合計(100質量%)のうち、1〜90質量%が好ましく、1〜80質量%がより好ましい。
水および有機溶媒の割合が前記範囲内であれば、分散媒に対するイオン交換基を有するポリマーの分散性に優れ、かつ割れにくい触媒層や固体高分子電解質膜を形成しやすい。
10-99 mass% is preferable among the sum total (100 mass%) of water and an organic solvent, and, as for the ratio of water, 20-99 mass% is more preferable.
1-90 mass% is preferable among the sum total (100 mass%) of water and an organic solvent, and, as for the ratio of the organic solvent, 1-80 mass% is more preferable.
If the ratio of water and the organic solvent is in the above range, the dispersibility of the polymer having an ion exchange group in the dispersion medium is excellent, and a catalyst layer and a solid polymer electrolyte membrane which are hard to break are easily formed.

ポリマー(H)の濃度は、液状組成物(100質量%)中、1〜50質量%が好ましく、3〜30質量%がより好ましい。ポリマー(H)の濃度が前記範囲の下限値以上であれば、製膜時に厚みのある膜を安定して得ることができる。また、触媒層を作製する際の触媒層形成用塗工液の調節が容易になる。ポリマー(H)の濃度が前記範囲の上限値以下であれば、液状組成物の粘度が過度に高くなるのを抑制できる。   1-50 mass% is preferable in a liquid composition (100 mass%), and, as for the density | concentration of a polymer (H), 3-30 mass% is more preferable. If the concentration of the polymer (H) is at least the lower limit value of the above range, a thick film can be stably obtained at the time of film formation. Moreover, adjustment of the coating liquid for catalyst layer formation at the time of producing a catalyst layer becomes easy. If the concentration of the polymer (H) is equal to or less than the upper limit value of the above range, it is possible to suppress the viscosity of the liquid composition from becoming excessively high.

(液状組成物の用途)
本発明の液状組成物は、膜電極接合体における触媒層や固体高分子電解質膜の形成に好適に用いられる。また、他の膜(水電解、過酸化水素製造、オゾン製造、廃酸回収等に用いるプロトン選択透過膜、塩化アルカリ電解用陽イオン交換膜、レドックスフロー電池の隔膜、脱塩または製塩に用いる電気透析用陽イオン交換膜等)の形成にも用いることができる。
(Use of liquid composition)
The liquid composition of the present invention is suitably used for the formation of a catalyst layer or a solid polymer electrolyte membrane in a membrane electrode assembly. In addition, other membranes (proton selective permeation membrane used for water electrolysis, hydrogen peroxide production, ozone production, waste acid recovery etc., cation exchange membrane for alkaline chloride electrolysis, diaphragm of redox flow cell, electricity used for desalination or salt production) It can also be used to form a cation exchange membrane etc. for dialysis.

<液状組成物の製造方法>
本発明の液状組成物の製造方法は、ポリマー(H)の製造方法によってポリマー(H)を製造し、ポリマー(H)と、液状媒体とを混合して液状組成物を得る方法である。
<Method of producing liquid composition>
The method of producing a liquid composition of the present invention is a method of producing a polymer (H) by a method of producing a polymer (H), mixing the polymer (H) and a liquid medium to obtain a liquid composition.

混合方法としては、たとえば、大気圧下、またはオートクレーブ等で密閉した状態下において、液状媒体中のポリマー(H)に撹拌等のせん断を加える方法が挙げられる。
撹拌時の温度は、0〜250℃が好ましく、20〜150℃がより好ましい。必要に応じて、超音波等のせん断を付与してもよい。
Examples of the mixing method include a method of applying shear such as stirring to the polymer (H) in the liquid medium under atmospheric pressure or in a closed state with an autoclave or the like.
0-250 degreeC is preferable and, as for the temperature at the time of stirring, 20-150 degreeC is more preferable. If necessary, shearing such as ultrasonic waves may be applied.

ポリマー(H)と液状媒体とを混合した混合液に撹拌等のせん断を加える際は、ポリマー(H)に液状媒体を一度に全部加えた混合液に撹拌等のせん断を加えてもよいし、ポリマー(H)に液状媒体を複数回に分けて混合し、その合間に撹拌等のせん断を加えてもよい。たとえば、ポリマー(H)に液状媒体の一部を加えた混合液に撹拌等のせん断を加え、その後に、その混合液に残りの液状媒体を加えて再度撹拌等のせん断を加えるようにしてもよい。また、液状媒体に有機溶媒のみを加えて撹拌等のせん断を加え、その後に水のみを加えて再度、撹拌等のせん断を加えるようにしてもよい。   When applying shear such as stirring to a mixture obtained by mixing the polymer (H) and the liquid medium, shearing such as stirring may be added to the mixture obtained by adding all the liquid medium to the polymer (H) at one time, The liquid medium may be mixed with the polymer (H) in multiple portions, and shear such as stirring may be applied between the portions. For example, shear such as stirring is added to a mixture obtained by adding a part of the liquid medium to the polymer (H), and then the remaining liquid medium is added to the mixture and shear such as stirring is added again. Good. Alternatively, only the organic solvent may be added to the liquid medium and shear such as stirring may be added, and then only water may be added and shear such as stirring may be added again.

(作用機序)
以上説明した本発明の液状組成物にあっては、イオン交換容量を高くできるポリマー(H)を含むため、イオン交換容量が高いポリマーを含む膜を形成できる。
また、以上説明した本発明の液状組成物の製造方法にあっては、イオン交換容量を高くできるポリマー(H)と、液状媒体とを混合して液状組成物を得るため、イオン交換容量が高いポリマーを含む膜を形成できる液状組成物を製造できる。
(Mechanism of action)
In the liquid composition of the present invention described above, since the polymer (H) capable of increasing the ion exchange capacity is contained, a membrane containing a polymer having a high ion exchange capacity can be formed.
Further, in the method for producing the liquid composition of the present invention described above, the polymer (H) capable of increasing the ion exchange capacity and the liquid medium are mixed to obtain the liquid composition, so the ion exchange capacity is high. A liquid composition capable of forming a film containing a polymer can be produced.

<膜電極接合体>
図1は、本発明の膜電極接合体の一例を示す断面図である。膜電極接合体10は、触媒層11およびガス拡散層12を有するアノード13と、触媒層11およびガス拡散層12を有するカソード14と、アノード13とカソード14との間に、触媒層11に接した状態で配置される固体高分子電解質膜15とを具備する。
<Membrane electrode assembly>
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of the membrane electrode assembly of the present invention. The membrane electrode assembly 10 is in contact with the catalyst layer 11 between the anode 13 having the catalyst layer 11 and the gas diffusion layer 12, the cathode 14 having the catalyst layer 11 and the gas diffusion layer 12, and the anode 13 and the cathode 14. And a solid polymer electrolyte membrane 15 disposed in the closed state.

膜電極接合体10においては、カソード14の触媒層11、アノード13の触媒層11および固体高分子電解質膜15からなる群から選ばれる少なくとも1つが、ポリマー(H)を含む。触媒層11がポリマー(H)を含む場合は、少なくともカソード14の触媒層11がポリマー(H)を含むことが好ましい。   In the membrane electrode assembly 10, at least one selected from the group consisting of the catalyst layer 11 of the cathode 14, the catalyst layer 11 of the anode 13, and the solid polymer electrolyte membrane 15 contains a polymer (H). When the catalyst layer 11 contains a polymer (H), it is preferable that at least the catalyst layer 11 of the cathode 14 contains a polymer (H).

(触媒層)
触媒層は、触媒と、イオン交換基を有するポリマーとを含む層である。
触媒としては、カーボン担体に白金または白金合金を担持した担持触媒が挙げられる。
カーボン担体としては、カーボンブラック粉末が挙げられる。
イオン交換基を有するポリマーとしては、ポリマー(H)、公知のイオン交換基を有するペルフルオロポリマー等が挙げられる。
(Catalyst layer)
The catalyst layer is a layer containing a catalyst and a polymer having ion exchange groups.
The catalyst includes a supported catalyst in which platinum or a platinum alloy is supported on a carbon support.
Examples of the carbon carrier include carbon black powder.
As a polymer which has an ion exchange group, polymer (H), the perfluoro polymer which has a well-known ion exchange group, etc. are mentioned.

(ガス拡散層)
ガス拡散層は、触媒層に均一にガスを拡散させる機能および集電体としての機能を有する。
ガス拡散層としては、カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンフェルト等が挙げられる。
ガス拡散層は、ポリテトラフルオロエチレン等によって撥水化処理されていることが好ましい。
(Gas diffusion layer)
The gas diffusion layer has a function to diffuse the gas uniformly to the catalyst layer and a function as a current collector.
Examples of the gas diffusion layer include carbon paper, carbon cloth, carbon felt and the like.
The gas diffusion layer is preferably treated to be water repellent by polytetrafluoroethylene or the like.

(カーボン層)
図2に示すように、膜電極接合体10は、触媒層11とガス拡散層12との間にカーボン層16を有してもよい。
カーボン層を配置することにより、触媒層の表面のガス拡散性が向上し、固体高分子形燃料電池の発電性能が大きく向上する。
カーボン層は、カーボンと非イオン性含フッ素ポリマーとを含む層である。
カーボンとしては、カーボン粒子、カーボンファイバー等が挙げられ、繊維径1〜1000nm、繊維長1000μm以下のカーボンナノファイバーが好ましい。
非イオン性含フッ素ポリマーとしては、ポリテトラフルオロエチレン等が挙げられる。
(Carbon layer)
As shown in FIG. 2, the membrane electrode assembly 10 may have a carbon layer 16 between the catalyst layer 11 and the gas diffusion layer 12.
By arranging the carbon layer, the gas diffusibility of the surface of the catalyst layer is improved, and the power generation performance of the polymer electrolyte fuel cell is greatly improved.
The carbon layer is a layer containing carbon and a nonionic fluorine-containing polymer.
Examples of the carbon include carbon particles and carbon fibers, and carbon nanofibers with a fiber diameter of 1 to 1000 nm and a fiber length of 1000 μm or less are preferable.
Examples of the nonionic fluorine-containing polymer include polytetrafluoroethylene.

(固体高分子電解質膜)
固体高分子電解質膜は、イオン交換基を有するポリマーを含む膜である。
イオン交換基を有するポリマーとしては、ポリマー(H)、公知のイオン交換基を有するペルフルオロポリマー等が挙げられる。
(Solid polymer electrolyte membrane)
The solid polymer electrolyte membrane is a membrane containing a polymer having an ion exchange group.
As a polymer which has an ion exchange group, polymer (H), the perfluoro polymer which has a well-known ion exchange group, etc. are mentioned.

固体高分子電解質膜は、補強材で補強されていてもよい。補強材としては、多孔体、繊維、織布、不織布等が挙げられる。補強材の材料としては、ポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、テトラフルオロエチレン−ペルフルオロ(アルキルビニルエーテル)共重合体、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリフェニレンスルフィド等が挙げられる。   The solid polymer electrolyte membrane may be reinforced with a reinforcing material. The reinforcing material may, for example, be a porous body, a fiber, a woven fabric or a non-woven fabric. Examples of the material of the reinforcing material include polytetrafluoroethylene, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, tetrafluoroethylene-perfluoro (alkyl vinyl ether) copolymer, polyethylene, polypropylene, polyphenylene sulfide and the like.

固体高分子電解質膜は、耐久性をさらに向上させるために、セリウムおよびマンガンからなる群から選ばれる1種以上の原子を含んでいてもよい。セリウム、マンガンは、固体高分子電解質膜の劣化を引き起こす原因物質である過酸化水素を分解する。セリウム、マンガンは、イオンとして固体高分子電解質膜中に存在することが好ましく、イオンとして存在すれば固体高分子電解質膜中でどのような状態で存在してもかまわない。   The solid polymer electrolyte membrane may contain one or more atoms selected from the group consisting of cerium and manganese in order to further improve the durability. Cerium and manganese decompose hydrogen peroxide which is a causative substance causing deterioration of the solid polymer electrolyte membrane. The cerium and manganese are preferably present as ions in the solid polymer electrolyte membrane, and may be present in any state in the solid polymer electrolyte membrane if they are present as ions.

<膜電極接合体の製造方法>
膜電極接合体がカーボン層を有しない場合、膜電極接合体は、たとえば、下記の方法にて製造される。
・固体高分子電解質膜上に触媒層を形成して膜触媒層接合体とし、該膜触媒層接合体をガス拡散層で挟み込む方法。
・ガス拡散層上に触媒層を形成して電極(アノード、カソード)とし、固体高分子電解質膜を該電極で挟み込む方法。
<Method of manufacturing membrane electrode assembly>
When the membrane electrode assembly does not have a carbon layer, the membrane electrode assembly is manufactured, for example, by the following method.
A method of forming a catalyst layer on a solid polymer electrolyte membrane to form a membrane catalyst layer assembly, and sandwiching the membrane catalyst layer assembly with a gas diffusion layer.
A method of forming a catalyst layer on a gas diffusion layer to form an electrode (anode, cathode) and sandwiching a solid polymer electrolyte membrane between the electrodes.

膜電極接合体がカーボン層を有する場合、膜電極接合体は、たとえば、下記の方法にて製造される。
・基材フィルム上に、カーボンおよび非イオン性含フッ素ポリマーを含む分散液を塗布し、乾燥させてカーボン層を形成し、カーボン層上に触媒層を形成し、触媒層と固体高分子電解質膜とを貼り合わせ、基材フィルムを剥離して、カーボン層を有する膜触媒層接合体とし、該膜触媒層接合体をガス拡散層で挟み込む方法。
・ガス拡散層上に、カーボンおよび非イオン性含フッ素ポリマーを含む分散液を塗布し、乾燥させてカーボン層を形成し、固体高分子電解質膜上に触媒層を形成した膜触媒層接合体を、カーボン層を有するガス拡散層で挟み込む方法。
When the membrane electrode assembly has a carbon layer, the membrane electrode assembly is produced, for example, by the following method.
· A dispersion containing carbon and a nonionic fluorine-containing polymer is coated on a substrate film and dried to form a carbon layer, a catalyst layer is formed on the carbon layer, and a catalyst layer and a solid polymer electrolyte membrane And a base film is peeled off to form a membrane catalyst layer assembly having a carbon layer, and the membrane catalyst layer assembly is sandwiched between the gas diffusion layers.
A membrane-catalyst layer assembly in which a dispersion containing carbon and a nonionic fluorine-containing polymer is applied onto a gas diffusion layer and dried to form a carbon layer, and a catalyst layer is formed on a solid polymer electrolyte membrane , A method of sandwiching with a gas diffusion layer having a carbon layer.

(触媒層の形成方法)
触媒層の形成方法としては、下記の方法が挙げられる。
・触媒層形成用塗工液を、固体高分子電解質膜、ガス拡散層、またはカーボン層上に塗布し、乾燥させる方法。
・触媒層形成用塗工液を基材フィルム上に塗布し、乾燥させて触媒層を形成し、該触媒層を固体高分子電解質膜上に転写する方法。
(Method of forming catalyst layer)
The following method is mentioned as a formation method of a catalyst layer.
-A method of applying a coating solution for forming a catalyst layer on a solid polymer electrolyte membrane, a gas diffusion layer, or a carbon layer and drying it.
A method of applying a coating solution for forming a catalyst layer on a substrate film, drying it to form a catalyst layer, and transferring the catalyst layer onto a solid polymer electrolyte membrane.

触媒層形成用塗工液は、イオン交換基を有するポリマーおよび触媒を分散媒に分散させた液である。触媒層形成用塗工液は、たとえば、本発明の液状組成物と、触媒の分散液とを混合することにより調製できる。   The coating liquid for forming a catalyst layer is a liquid in which a polymer having an ion exchange group and a catalyst are dispersed in a dispersion medium. The coating solution for forming a catalyst layer can be prepared, for example, by mixing the liquid composition of the present invention with a dispersion of a catalyst.

(固体高分子電解質膜の形成方法)
固体高分子電解質膜は、たとえば、液状組成物を基材フィルムまたは触媒層上に塗布し、乾燥させる方法(キャスト法)により形成できる。
液状組成物は、水および有機溶媒を含む分散媒に、イオン交換基を有するポリマーを分散させた分散液である。液状組成物として、本発明の液状組成物を用いてもよい。
(Formation method of solid polymer electrolyte membrane)
The solid polymer electrolyte membrane can be formed, for example, by a method of applying a liquid composition on a base film or a catalyst layer and drying it (cast method).
The liquid composition is a dispersion liquid in which a polymer having ion exchange groups is dispersed in a dispersion medium containing water and an organic solvent. The liquid composition of the present invention may be used as a liquid composition.

固体高分子電解質膜を安定化させるために、アニール処理を行うことが好ましい。アニール処理の温度は、イオン交換基を有する含フッ素ポリマーの種類にもよるが、130〜200℃が好ましい。アニール処理の温度が130℃以上であれば、イオン交換基を有するポリマーが過度に含水しなくなる。アニール処理の温度が200℃以下であれば、イオン交換基の熱分解が抑えられる。   In order to stabilize the solid polymer electrolyte membrane, annealing is preferably performed. The temperature of the annealing treatment is preferably 130 to 200 ° C., although it depends on the type of fluorine-containing polymer having an ion exchange group. If the annealing temperature is 130 ° C. or higher, the polymer having ion exchange groups will not be excessively hydrated. When the temperature of the annealing treatment is 200 ° C. or less, the thermal decomposition of the ion exchange group is suppressed.

(作用機序)
以上説明した本発明の膜電極接合体にあっては、カソードの触媒層、アノードの触媒層および固体高分子電解質膜からなる群から選ばれる少なくとも1つが、イオン交換容量を高くできるポリマー(H)を含むため、発電性能に優れる。
また、以上説明した本発明の膜電極接合体の製造方法にあっては、カソードの触媒層、アノードの触媒層および固体高分子電解質膜からなる群から選ばれる少なくとも1つの形成に、イオン交換容量が高いポリマーを含む膜を形成できる本発明の液状組成物を用いているため、発電性能に優れる膜電極接合体を製造できる。
(Mechanism of action)
In the membrane electrode assembly of the present invention described above, a polymer (H) in which at least one selected from the group consisting of a catalyst layer of a cathode, a catalyst layer of an anode and a solid polymer electrolyte membrane can increase ion exchange capacity Power generation performance.
Further, in the method of manufacturing a membrane electrode assembly according to the present invention described above, at least one ion selected from the group consisting of a catalyst layer of a cathode, a catalyst layer of an anode and a solid polymer electrolyte membrane. Since the liquid composition of the present invention capable of forming a film containing a high polymer is used, a membrane electrode assembly excellent in power generation performance can be produced.

<固体高分子形燃料電池>
本発明の膜電極接合体の両面に、ガスの流路となる溝が形成されたセパレータを配置することにより、固体高分子形燃料電池が得られる。
セパレータとしては、金属製セパレータ、カーボン製セパレータ、黒鉛と樹脂を混合した材料からなるセパレータ等、各種導電性材料からなるセパレータが挙げられる。
固体高分子形燃料電池においては、カソードに酸素を含むガス、アノードに水素を含むガスを供給することにより、発電が行われる。また、アノードにメタノールを供給して発電を行うメタノール燃料電池にも、膜電極接合体を適用できる。
Polymer Electrolyte Fuel Cell
A polymer electrolyte fuel cell can be obtained by arranging separators in which grooves serving as gas flow paths are formed on both sides of the membrane electrode assembly of the present invention.
Examples of the separator include separators made of various conductive materials such as metal separators, carbon separators, separators made of a mixture of graphite and resin, and the like.
In a polymer electrolyte fuel cell, power is generated by supplying a gas containing oxygen to the cathode and a gas containing hydrogen to the anode. The membrane electrode assembly can also be applied to a methanol fuel cell that generates electricity by supplying methanol to the anode.

以下に、実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの例によって限定されない。
例1、2は製造例であり、例3、4、10〜12は実施例であり、例5は参考例であり、例6〜9は比較例である。
EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be specifically described by way of examples, but the present invention is not limited by these examples.
Examples 1 and 2 are production examples, examples 3, 4 and 10 to 12 are examples, example 5 is a reference example, and examples 6 to 9 are comparative examples.

19F−NMR)
19F−NMRは、282.7MHz、溶媒:CDCl、化学シフト基準:CFClの条件にて測定した。生成物の定量は、19F−NMRの分析結果および内部標準試料(1,3−ビス(トリフルオロメチル)ベンゼン)の添加量から行った。
( 19 F-NMR)
19 F-NMR was measured under the conditions of 282.7 MHz, solvent: CDCl 3 , chemical shift reference: CFCl 3 . The quantification of the product was carried out from the analysis result of 19 F-NMR and the addition amount of the internal standard sample (1,3-bis (trifluoromethyl) benzene).

(ポリマー(H)のイオン交換容量)
ポリマー(H)の膜を120℃で12時間真空乾燥して、ポリマー(H)の膜から水分を除去した。ポリマー(H)の膜を0.85モル/gの水酸化ナトリウム溶液(溶媒:水/メタノール=10/90(質量比))に浸漬して、ポリマー(H)のスルホン酸基を中和しスルホン酸ナトリウム塩に変換した。中和後の水酸化ナトリウム溶液を0.1モル/Lの塩酸で逆滴定することによってポリマー(H)のイオン交換容量を求めた。
(Ion exchange capacity of polymer (H))
The membrane of polymer (H) was vacuum dried at 120 ° C. for 12 hours to remove water from the membrane of polymer (H). The membrane of the polymer (H) is immersed in 0.85 mol / g sodium hydroxide solution (solvent: water / methanol = 10/90 (mass ratio)) to neutralize the sulfonic acid group of the polymer (H) Converted to sulfonic acid sodium salt. The ion exchange capacity of the polymer (H) was determined by back titration of the neutralized sodium hydroxide solution with 0.1 mol / L hydrochloric acid.

(例1)
化合物(12−1)および化合物(13−1)の製造:
(Example 1)
Preparation of Compound (12-1) and Compound (13-1):

Figure 0006524835
Figure 0006524835

米国特許第4273729号明細書の実施例に記載の方法にしたがって、化合物(12−1)および化合物(13−1)を得た。   Compound (12-1) and compound (13-1) were obtained according to the method described in the example of US Pat. No. 4,273,729.

(例2)
化合物(14−1)の製造:
(Example 2)
Production of Compound (14-1):

Figure 0006524835
Figure 0006524835

撹拌機、コンデンサ、温度計、滴下ロートを備えた500mLの4つ口フラスコに、窒素シール下、60%発煙硫酸の235gを仕込んだ。フラスコをオイルバスにセットし、内温を35〜40℃に保ったまま化合物(13−1)の291gを20分かけて滴下した。滴下完了後に緩やかな発熱が見られ、内温は50℃まで上昇した。その後内温を40℃に保ったまま28時間撹拌を継続した。反応液を室温まで冷却した後、500mLの分液ロートへ反応液を移して静置すると、白濁した上層と橙色透明の下層に分離した。下層を抜き出した後、157gの濃硫酸を加え、よく振り混ぜた上で静置した後に下層を抜き出した。再度31gの濃硫酸を加え、よく振り混ぜた上で静置した後に下層を抜き出した。分液ロート内に残った266gの上層を回収した。回収した上層を19F−NMRによって分析し、内部標準試料の添加量から定量を行ったところ、目的の化合物(14−1)が収率69%で生成していることを確認した。原料の化合物(13−1)の残存は確認されなかった。 In a 500 mL four-necked flask equipped with a stirrer, a condenser, a thermometer, and a dropping funnel, 235 g of 60% fuming sulfuric acid was charged under a nitrogen seal. The flask was set in an oil bath, and 291 g of compound (13-1) was added dropwise over 20 minutes while maintaining the internal temperature at 35 to 40 ° C. After completion of the addition, a mild exotherm was observed, and the internal temperature rose to 50 ° C. Then, stirring was continued for 28 hours while maintaining the internal temperature at 40 ° C. The reaction solution was cooled to room temperature, transferred to a 500 mL separatory funnel, and allowed to stand to separate into a cloudy upper layer and an orange clear lower layer. After extracting the lower layer, 157 g of concentrated sulfuric acid was added, shaken well and allowed to stand, and then the lower layer was extracted. 31 g of concentrated sulfuric acid was added again, shaken well and allowed to stand, and then the lower layer was extracted. The upper layer of 266 g remaining in the separating funnel was recovered. The recovered upper layer was analyzed by 19 F-NMR, and quantification was performed based on the amount of the internal standard sample. As a result, it was confirmed that the target compound (14-1) was produced in a yield of 69%. Remaining of the raw material compound (13-1) was not confirmed.

撹拌機、温度計、不規則充填物を充填した蒸留塔(内径3cm×塔長50cm、充填長36cm)を備えた1Lの4つ口フラスコに、回収した上層を移し、減圧蒸留を行った。蒸留の結果、無色透明の化合物(14−1)の540gが得られた。化合物(14−1)の留出温度は、25mmHg(絶対圧力)の圧力下で57.1℃であった。   The recovered upper layer was transferred to a 1 L four-necked flask equipped with a stirrer, a thermometer, and a distillation column (inner diameter 3 cm × column length 50 cm, packing length 36 cm) packed with irregular packing, and vacuum distillation was performed. As a result of distillation, 540 g of a colorless and transparent compound (14-1) was obtained. The distillation temperature of compound (14-1) was 57.1 ° C. under a pressure of 25 mmHg (absolute pressure).

化合物(14−1)の19F−NMRスペクトル:45.80ppm(SOF、1F、p、J=6.1Hz)、−76.30ppmおよび−77.00ppm(CF−CF−O、2F、m)、−81.70(環状部CF、1F、dd、J=107、7.6Hz)、−88.46ppm(環状部CF、1F、dt、J=107、13.0Hz)、−81.85ppm(O−CF−CF、2F、m)、−112.50ppm(CF−SOF、2F、m)、−151.51ppm(環状部CF、1F、p、J=7.6Hz)。 19 F-NMR spectrum of compound (14-1): 45.80 ppm (SO 2 F, 1 F, p, J = 6.1 Hz), -76.30 ppm and -77.00 ppm (CF-CF 2 -O, 2F) , m), - 81.70 (annulus CF 2, 1F, dd, J = 107,7.6Hz), - 88.46ppm ( annulus CF 2, 1F, dt, J = 107,13.0Hz), −81.85 ppm (O—CF 2 —CF 2 , 2F, m), −112.50 ppm (CF 2 —SO 2 F, 2F, m), −115.51 ppm (annular portion CF, 1 F, p, J = 7.6 Hz).

(例3)
化合物(m1−1)の製造:
(Example 3)
Production of Compound (m1-1):

Figure 0006524835
Figure 0006524835

撹拌機、コンデンサ、温度計、滴下ロートを備えた50mLの4つ口フラスコに、窒素シール下、化合物(12−1)の3.93g、化合物(14−1)の6.98g、ジグライムの9.65gを仕込んだ。フラスコを冷媒にて冷却し、内温が−50℃まで下がった後にフッ化カリウムの1.00gを10分間掛けて添加した。滴下時には発熱が確認された。添加後内温を−40〜−30℃で維持しながら9時間撹拌を継続した後、冷却を停止し室温まで昇温した。反応液を50mLの分液ロートへ移して静置すると、淡黄色の上層と無色の下層とに相分離した。回収した下層の8.95gを19F−NMRにより分析し、内部標準試料の添加量から定量を行ったところ、目的の化合物(m1−1)が収率16%で生成しているのを確認した。主生成物は化合物(13−1)(収率36%)だった。結果を表1に示す。 In a 50 mL four-necked flask equipped with a stirrer, a condenser, a thermometer, and a dropping funnel, under a nitrogen blanket, 3.93 g of Compound (12-1), 6.98 g of Compound (14-1), 9 of diglyme I charged .65g. The flask was cooled with a refrigerant, and after the internal temperature dropped to -50 ° C, 1.00 g of potassium fluoride was added over 10 minutes. An exotherm was observed upon dripping. After the addition, stirring was continued for 9 hours while maintaining the internal temperature at −40 to −30 ° C., then the cooling was stopped and the temperature was raised to room temperature. The reaction solution was transferred to a 50 mL separatory funnel and allowed to stand to separate into a pale yellow upper layer and a colorless lower layer. 8.95 g of the recovered lower layer was analyzed by 19 F-NMR, and quantification was carried out from the amount of addition of the internal standard sample, confirming that the target compound (m1-1) was formed in a yield of 16% did. The main product was compound (13-1) (yield 36%). The results are shown in Table 1.

(例4)
化合物(m1−1)の製造:
化合物(12−1)の118.0g、化合物(14−1)の210.4g、ジグライムの313.0g、フッ化カリウムの31.3gを用い、1Lの反応器を用い、添加後内温を−50〜−30℃とした以外は例3と同様にして反応を行った。分液操作により回収した下層(249.8g)の定量分析から、目的の化合物(m1−1)が収率20%で生成しているのを確認した。主生成物は化合物(13−1)(収率35%)だった。結果を表1に示す。
(Example 4)
Production of Compound (m1-1):
Using 118.0 g of Compound (12-1), 210.4 g of Compound (14-1), 313.0 g of diglyme, and 31.3 g of potassium fluoride, using a 1 L reactor, add the internal temperature after addition The reaction was carried out in the same manner as in Example 3 except that the temperature was -50 to -30 ° C. From quantitative analysis of the lower layer (249.8 g) recovered by the liquid separation operation, it was confirmed that the target compound (m1-1) was formed at a yield of 20%. The main product was compound (13-1) (35% yield). The results are shown in Table 1.

例3および例4にて回収した下層を、撹拌機、温度計、不規則充填物を充填した蒸留塔(内径3cm×塔長50cm、充填長36cm)を備えた500mLの4つ口フラスコに移し減圧蒸留を行った。蒸留の結果、無色透明の化合物(m1−1)の70gが得られた。化合物(m1−1)の留出温度は3.9mmHg(絶対圧力)の圧力下で60.7℃であった。   The lower layer collected in Example 3 and Example 4 is transferred to a 500 mL four-necked flask equipped with a stirrer, a thermometer, and a distillation column packed with irregular packing (inner diameter 3 cm × column length 50 cm, packing length 36 cm). Vacuum distillation was performed. As a result of distillation, 70 g of a colorless and transparent compound (m1-1) was obtained. The distillation temperature of the compound (m1-1) was 60.7 ° C. under a pressure of 3.9 mmHg (absolute pressure).

化合物(m1−1)の19F−NMRスペクトル:55.37ppm(CF−SOF、1F、m)、45.83ppm(CF−SOF、1F、m)、−71.88ppm(CF=CF−CF−O−、2F、m)、−74.04ppmおよび−74.64ppm(O−CF−CF(SOF)CF−O、2F&2F、m)、−82.12ppm(O−CF−CF−SOF、2F、m)、−71.88ppm(CF=CF、1F、ddt、J=49、39、8Hz)、−103.65ppm(CF=CF、1F、ddt、J=118.0、49、26Hz)、−112.50ppm(CF−SOF、2F、m)、−164.83ppm(CF−SOF、1F、m)、−190.83ppm(CF=CF、1F、ddt、J=118、39、14Hz)。 19 F-NMR spectrum of compound (m1-1): 55.37 ppm (CF-SO 2 F, 1 F, m), 45.83 ppm (CF 2- SO 2 F, 1 F, m), -71.88 ppm (CF) 2 = CF-CF 2 -O-, 2F, m), - 74.04ppm and -74.64ppm (O-CF 2 -CF ( SO 2 F) CF 2 -O, 2F & 2F, m), - 82.12ppm (O-CF 2 -CF 2 -SO 2 F, 2F, m), - 71.88ppm (CF 2 = CF, 1F, ddt, J = 49,39,8Hz), - 103.65ppm (CF 2 = CF , 1F, ddt, J = 118.0, 49, 26 Hz), −112.50 ppm (CF 2 —SO 2 F, 2F, m), −164.83 ppm (CF—SO 2 F, 1 F, m), − 190.83 ppm CF 2 = CF, 1F, ddt , J = 118,39,14Hz).

Figure 0006524835
Figure 0006524835

(例5)
化合物(14−1)の異性化体:
(Example 5)
Isomerized form of compound (14-1):

Figure 0006524835
Figure 0006524835

撹拌子、コンデンサ、温度計、滴下ロートを備えた10mLの3つ口フラスコに、窒素シール下、フッ化ナトリウムの0.19gを仕込んだ。フラスコを冷媒にて冷却し、内温が−35℃まで下がった後に化合物(14−1)の3.04gを撹拌子で撹拌しながら滴下した。滴下時には発熱は確認されなかった。冷却を停止し内温を室温まで戻した。内液を19F−NMRで分析したところ、化合物(14−1)はほとんど反応していなかった。フラスコを加熱し、100℃で5時間反応させたところ、化合物(14−1)の異性化体である化合物(15−1)が生成していることを確認した。 In a 10-mL three-necked flask equipped with a stirrer, a condenser, a thermometer, and a dropping funnel, 0.19 g of sodium fluoride was charged under a nitrogen blanket. The flask was cooled with a refrigerant, and after the internal temperature dropped to -35 ° C, 3.04 g of the compound (14-1) was added dropwise with stirring using a stirrer. No exotherm was observed at the time of dropping. The cooling was stopped and the internal temperature was returned to room temperature. The inner solution was analyzed by 19 F-NMR to find that Compound (14-1) was hardly reacted. The flask was heated, and reacted at 100 ° C. for 5 hours. As a result, it was confirmed that Compound (15-1), which is an isomer of Compound (14-1), was formed.

化合物(15−1)の19F−NMRスペクトル:54.3ppm(CF−SOF、1F、m)、45.6ppm(CF−SOF、1F、m)、33.6ppm(CF−COF、1F、m)、−75.4ppm(CF−CF−O、2F、m)、−82.3ppm(O−CF−CF−SOF、2F、m)、−112.8ppm(CF−SOF、2F、m)、−159.4ppm(CF、1F、m)。 19 F-NMR spectrum of compound (15-1): 54.3 ppm (CF-SO 2 F, 1 F, m), 45.6 ppm (CF 2- SO 2 F, 1 F, m), 33.6 ppm (CF- COF, 1F, m), - 75.4ppm (CF-CF 2 -O, 2F, m), - 82.3ppm (O-CF 2 -CF 2 -SO 2 F, 2F, m), - 112.8ppm (CF 2 -SO 2 F, 2F , m), - 159.4ppm (CF, 1F, m).

例5の結果から、置換基の比較的大きいβ−サルトン化合物である化合物(14−1)においてもテトラフルオロ−β−サルトンと同様に開環反応が起こり、化合物(15−1)が生成することが分かる。つまり置換基が比較的大きい基質においても、開環反応自体は何ら問題なく起こる。
本発明により目的物の化合物(m1−1)の収率が著しく向上する理由は以下の通りと考えられる。
化合物(14−1)または化合物(15−1)とフッ化物塩(MF)との反応により、ペルフルオロアリル化における活性種であるMO−CF−CF(SOF)−構造が生成するが、置換基が比較的大きい化合物(14−1)または化合物(15−1)由来の活性種は安定性が乏しいものと考えられる。すなわち、あらかじめ化合物(14−1)とフッ化物塩とを混合する従来の方法の場合、活性種がペルフルオロアリル化剤の添加前に分解してしまい、目的物の化合物(m1−1)を得ることができないものと考えられる。一方、本発明に示す通り、あらかじめ化合物(14−1)とペルフルオロアリル化剤を混合した状態でフッ化物塩を加えると、生成した活性種が速やかにペルフルオロアリル化剤と反応することができるため、目的物の化合物(m1−1)の収率が著しく向上するものと考えられる。
From the results of Example 5, also in the compound (14-1) which is a relatively large β-sultone compound having a substituent, the ring-opening reaction occurs similarly to tetrafluoro-β-sultone, and the compound (15-1) is formed. I understand that. That is, even on a substrate having a relatively large substituent, the ring opening reaction itself occurs without any problem.
The reason why the yield of the desired compound (m1-1) is significantly improved by the present invention is considered to be as follows.
The reaction of the compound (14-1) or the compound (15-1) with the fluoride salt (MF) produces an MO-CF 2 -CF (SO 2 F) -structure which is an active species in perfluoro allylation. An active species derived from compound (14-1) or compound (15-1) having a relatively large substituent is considered to be poorly stable. That is, in the case of the conventional method in which the compound (14-1) and the fluoride salt are mixed in advance, the active species is decomposed before the addition of the perfluoroallylating agent to obtain the desired compound (m1-1). It can be considered impossible. On the other hand, as shown in the present invention, when a fluoride salt is added in a state in which compound (14-1) and the perfluoroallylating agent are mixed in advance, the generated active species can be reacted with the perfluoroallylating agent rapidly. It is considered that the yield of the target compound (m1-1) is remarkably improved.

(例6)   (Example 6)

Figure 0006524835
Figure 0006524835

撹拌機、コンデンサ、温度計、滴下ロートを備えた50mLの4つ口フラスコに、窒素シール下、フッ化カリウムの1.05gおよびジグライムの10.52gを仕込んだ。フラスコを冷媒にて冷却し、内温が−20℃まで下がった後に化合物(14−1)の6.96gを滴下した。滴下時には発熱が確認された。−30〜−10℃で1時間撹拌を継続した後、化合物(12−1)の3.93gを滴下した。−20〜−10℃で1時間撹拌した後、冷却を停止し内温を室温まで昇温させた。16時間室温で撹拌した後、撹拌を停止した。反応液を50mLの分液ロートへ移して静置すると、淡黄色の上層と無色の下層とに相分離した。回収した下層の7.37gを19F−NMRにより分析し、内部標準試料の添加量から定量を行ったところ、目的の化合物(m1−1)が収率1%で生成しているのを確認した。主生成物は化合物(13−1)(収率50%)だった。結果を表2に示す。 In a 50 mL four-necked flask equipped with a stirrer, a condenser, a thermometer and a dropping funnel, 1.05 g of potassium fluoride and 10.52 g of diglyme were charged under a nitrogen seal. The flask was cooled with a refrigerant, and after the internal temperature dropped to -20 ° C, 6.96 g of the compound (14-1) was dropped. An exotherm was observed upon dripping. After continuing stirring at -30 to -10 ° C for 1 hour, 3.93 g of compound (12-1) was added dropwise. After stirring at −20 to −10 ° C. for 1 hour, the cooling was stopped and the internal temperature was allowed to rise to room temperature. After stirring at room temperature for 16 hours, the stirring was stopped. The reaction solution was transferred to a 50 mL separatory funnel and allowed to stand to separate into a pale yellow upper layer and a colorless lower layer. 7.37 g of the recovered lower layer was analyzed by 19 F-NMR, and quantification was carried out from the addition amount of the internal standard sample, and it was confirmed that the target compound (m1-1) was formed in a 1% yield. did. The main product was compound (13-1) (50% yield). The results are shown in Table 2.

(例7)
ジグライムの代わりにテトラグライムの5.25gを用い、温度を表2に示すように変更した以外は例6と同様に反応を行った。分液操作後の定量分析からは、目的の化合物(m1−1)は痕跡量しか確認できなかった。結果を表2に示す。
(Example 7)
The reaction was carried out in the same manner as in Example 6 except that 5.25 g of tetraglyme was used instead of diglyme and the temperature was changed as shown in Table 2. From the quantitative analysis after the separation operation, only trace amounts of the target compound (m1-1) could be confirmed. The results are shown in Table 2.

(例8)
ジグライムの代わりにテトラグライムの11.57gを、フッ化カリウムの代わりにフッ化銀の2.27gを用い、温度を表2に示すように変更した以外は例6と同様に反応を行った。分液操作後の定量分析からは、目的の化合物(m1−1)は痕跡量しか確認できなかった。結果を表2に示す。
(Example 8)
A reaction was performed in the same manner as in Example 6 except that 11.57 g of tetraglyme was used instead of diglyme, 2.27 g of silver fluoride was used instead of potassium fluoride, and the temperature was changed as shown in Table 2. From the quantitative analysis after the separation operation, only trace amounts of the target compound (m1-1) could be confirmed. The results are shown in Table 2.

(例9)
撹拌機、コンデンサ、温度計、滴下ロートを備えた50mLの4つ口フラスコに、窒素シール下、フッ化ナトリウムの0.77gおよびジグライムの4.06gを仕込んだ。フラスコを冷媒にて冷却し、内温が−20℃まで下がった後に化合物(14−1)の6.98gを滴下した。冷却を停止し内温を室温まで昇温させた。内温が25℃に達した後、化合物(12−1)の3.91gを滴下した。発熱は確認されなかった。その後反応液をガスクロマトグラフ分析にて確認しながら70℃まで加熱したが、目的の化合物(m1−1)の生成は確認されなかった。結果を表2に示す。
(Example 9)
In a 50 mL four-necked flask equipped with a stirrer, a condenser, a thermometer and a dropping funnel, 0.77 g of sodium fluoride and 4.06 g of diglyme were charged under a nitrogen seal. The flask was cooled with a refrigerant, and 6.98 g of the compound (14-1) was dropped after the internal temperature dropped to -20 ° C. The cooling was stopped and the internal temperature was raised to room temperature. After the internal temperature reached 25 ° C., 3.91 g of the compound (12-1) was added dropwise. No fever was noted. Thereafter, the reaction solution was heated to 70 ° C. while confirming by gas chromatography analysis, but generation of the target compound (m1-1) was not confirmed. The results are shown in Table 2.

Figure 0006524835
Figure 0006524835

(例10)
ポリマー(F)の製造:
オートクレーブ(内容積30mL、ハステロイ製)に、化合物(m1−1)の23.0gを入れ、液体窒素で冷却して脱気した。オートクレーブにTFEの1.44gを導入し、内温が100℃になるまでオイルバスにて加温した。この時の圧力は0.475MPaG(ゲージ圧)であった。重合開始剤であるペルフルオロ−ジ−tert−ブチルペルオキシドの0.017gと化合物(m1−1)の0.921gとの混合液をオートクレーブ内に圧入した。さらに圧入ラインから窒素ガスを導入し、圧入ライン内の圧入液を完全に押し込んだ。この操作により気相部のTFEが希釈された結果、圧力は0.90MPaGまで増加した。圧力を0.90MPaGで維持したままTFEを連続添加し重合を行った。6.5時間でTFEの添加量が4.2gになったところでオートクレーブ内を冷却して重合を停止し、系内のガスをパージした。反応液をHFC−52−13p(CF(CFH)で希釈後、HFE−347pc−f(CFCHOCFCFH)を添加し、ポリマーを凝集してろ過した。その後、HFC−52−13p中でポリマーを撹拌して、HFE−347pc−fで再凝集する操作を2回繰り返した。120℃で真空乾燥して、TFEと化合物(m1−1)との共重合体であるポリマー(F−1)の7.7gを得た。
(Example 10)
Production of Polymer (F):
In an autoclave (inner volume: 30 mL, manufactured by Hastelloy), 23.0 g of the compound (m1-1) was placed, and the mixture was cooled with liquid nitrogen and degassed. 1.44 g of TFE was introduced into the autoclave and heated in an oil bath until the internal temperature reached 100 ° C. The pressure at this time was 0.475 MPaG (gauge pressure). A mixed solution of 0.017 g of perfluoro-di-tert-butyl peroxide as a polymerization initiator and 0.921 g of the compound (m1-1) was injected into the autoclave. Furthermore, nitrogen gas was introduced from the press-in line, and the press-in liquid in the press-in line was completely pushed in. As a result of dilution of TFE in the gas phase by this operation, the pressure increased to 0.90 MPaG. Polymerization was carried out by continuously adding TFE while maintaining the pressure at 0.90 MPaG. When the addition amount of TFE reached 4.2 g in 6.5 hours, the inside of the autoclave was cooled to terminate the polymerization, and the gas in the system was purged. After dilution with a reaction mixture HFC-52-13p (CF 3 (CF 2) 5 H), was added HFE-347pc-f (CF 3 CH 2 OCF 2 CF 2 H), and filtered by agglomerating polymer. Thereafter, the polymer was stirred in HFC-52-13p, and the operation of reaggregation with HFE-347pc-f was repeated twice. It vacuum-dried at 120 degreeC, and obtained 7.7 g of polymers (F-1) which are copolymers of TFE and a compound (m1-1).

ポリマー(F−1)を加圧プレス成形(240℃,4MPa)してポリマー(F−1)の膜を得た。フィルム(厚さ:125μm)に加工した。   The polymer (F-1) was press-pressed (240 ° C., 4 MPa) to obtain a film of the polymer (F-1). It processed into a film (thickness: 125 micrometers).

(例11)
ポリマー(H)の製造:
ポリマー(F−1)の膜を、20質量%の水酸化カリウム水溶液中に80℃で20時間浸漬させることによって、ポリマー(F−1)中のフルオロスルホニル基(−SOF)を加水分解し、−SOKに変換した。さらに該ポリマーの膜を、3モル/Lの塩酸水溶液に室温で1時間浸漬した後、室温の超純水に30分間浸漬した。塩酸水溶液への浸漬と超純水への浸漬のサイクルを合計5回実施し、−SOKをスルホン酸基(−SOH)に変換した。その後ポリマーの膜を浸漬している水のpHが7となるまで超純水洗浄を繰り返した。最後にポリマーの膜をろ紙に挟んで風乾し、ポリマー(H)の膜を得た。
ポリマー(H)の膜からイオン交換容量を求めところ、1.55ミリ当量/g乾燥樹脂であった。イオン交換容量から算出されるポリマー(F−1)中のTFEに由来する構成単位および化合物(m1−1)に由来する構成単位の割合は、それぞれ88.0モル%および12.0モル%であった。
(Example 11)
Production of Polymer (H):
Hydrolysis of the fluorosulfonyl group (-SO 2 F) in the polymer (F-1) by immersing the film of the polymer (F-1) in a 20% by mass aqueous potassium hydroxide solution at 80 ° C. for 20 hours and it was converted to -SO 3 K. Furthermore, the membrane of the polymer was immersed in a 3 mol / L aqueous hydrochloric acid solution for 1 hour at room temperature, and then immersed in ultrapure water at room temperature for 30 minutes. The cycle of dipping and immersion in ultra pure water to the aqueous hydrochloric acid solution was performed five times in total, it was converted to -SO 3 K sulfonic acid group (-SO 3 H). Thereafter, the ultrapure water washing was repeated until the pH of the water in which the polymer membrane was immersed became 7. Finally, the polymer membrane was sandwiched between filter paper and air dried to obtain a polymer (H) membrane.
The ion exchange capacity of the polymer (H) membrane was determined to be 1.55 meq / g dry resin. The proportions of the constituent unit derived from TFE and the constituent unit derived from the compound (m1-1) in the polymer (F-1) calculated from the ion exchange capacity are 88.0 mol% and 12.0 mol%, respectively there were.

(例12)
液状組成物の製造:
200mLのガラス製オートクレーブに、細かく切断したポリマー(H)の膜の3.6g、ならびに1−プロパノール、1−ブタノールおよび水の混合溶媒(24/33/43(質量比))の49.9gを加えた。撹拌しながらオートクレーブを加熱した。溶解状態を見ながら100℃から徐々に温度を上げていき、180℃まで昇温したところでポリマー(H)が混合溶媒に分散したことを確認した。加温時間は合計27時間であった。冷却後、加圧ろ過(ろ紙:アドバンテック東洋社製、PF100)を行い、ポリマー(H)が混合溶媒に約7質量%の濃度で分散した液状組成物を得た。
液状組成物をシャーレ上にキャストし、乾燥器中で溶媒を揮散させることで、ポリマー(H)からなる厚さ300μmの固体高分子電解質膜を得た。
(Example 12)
Production of Liquid Composition:
In a 200 mL glass autoclave, 3.6 g of a finely cut polymer (H) membrane and 49.9 g of a mixed solvent (24/33/43 (mass ratio)) of 1-propanol, 1-butanol and water added. The autoclave was heated while stirring. The temperature was gradually raised from 100 ° C. while observing the dissolved state, and when the temperature was raised to 180 ° C., it was confirmed that the polymer (H) was dispersed in the mixed solvent. The heating time was 27 hours in total. After cooling, pressure filtration (filter paper: PF100, manufactured by Advantec Toyo Kaisha, Ltd.) was performed to obtain a liquid composition in which the polymer (H) was dispersed in a mixed solvent at a concentration of about 7% by mass.
The liquid composition was cast on a petri dish, and the solvent was volatilized in a drier to obtain a 300 μm thick solid polymer electrolyte membrane made of polymer (H).

本発明のフルオロスルホニル基含有モノマーは、固体高分子形燃料電池用、または固体高分子形水電解用膜電極接合体における触媒層や固体高分子電解質膜、塩化アルカリ電解や電気透析に用いられる陽イオン交換膜等に含まれるポリマーの原料として有用である。
また、本発明のフルオロスルホニル基含有モノマーは、レドックスフロー二次電池用の隔膜に含まれるポリマーの原料としても有用である。
The fluorosulfonyl group-containing monomer of the present invention can be used as a catalyst layer or a solid polymer electrolyte membrane in a solid polymer fuel cell or a membrane electrode assembly for solid polymer type water electrolysis, or a positive electrode used in alkaline chloride electrolysis or It is useful as a raw material of the polymer contained in an ion exchange membrane etc.
The fluorosulfonyl group-containing monomer of the present invention is also useful as a raw material of a polymer contained in a diaphragm for a redox flow secondary battery.

10 膜電極接合体、11 触媒層、12 ガス拡散層、13 アノード、14 カソード、15 固体高分子電解質膜、16 カーボン層。   10 membrane electrode assembly, 11 catalyst layer, 12 gas diffusion layer, 13 anode, 14 cathode, 15 solid polymer electrolyte membrane, 16 carbon layer.

Claims (11)

下式(14)で表される化合物とペルフルオロアリル化剤とをあらかじめ混合した液にフッ化物塩を添加して下式(m1)で表される化合物を得る、フルオロスルホニル基含有モノマーの製造方法。
Figure 0006524835
ただし、nは0または1であり、Rf1はペルフルオロアルキレン基、またはペルフルオロアルキレン基の炭素−炭素原子間にエーテル性酸素原子を有する基であり、Xはフッ素原子またはフルオロスルホニル基である。
A method for producing a fluorosulfonyl group-containing monomer, which adds a fluoride salt to a liquid in which a compound represented by the following formula (14) and a perfluoroallylating agent are mixed in advance to obtain a compound represented by the following formula (m1) .
Figure 0006524835
However, n is 0 or 1, R f1 is a perfluoroalkylene group, or a group having an etheric oxygen atom between carbon-carbon atoms of a perfluoroalkylene group, and X is a fluorine atom or a fluorosulfonyl group.
前記ペルフルオロアリル化剤が、下式(12)で表される化合物である、請求項に記載のフルオロスルホニル基含有モノマーの製造方法。
CF=CFCF−Z (12)
ただし、Zは−OSOF、−OSOf2、塩素原子、臭素原子またはヨウ素原子であり、Rf2はペルフルオロアルキル基である。
The method for producing a fluorosulfonyl group-containing monomer according to claim 1 , wherein the perfluoroallylizing agent is a compound represented by the following formula (12).
CF 2 = CFCF 2 -Z (12)
However, Z is -OSO 2 F, -OSO 2 R f2 , a chlorine atom, a bromine atom or an iodine atom, R f2 is a perfluoroalkyl group.
前記Xがフルオロスルホニル基である、請求項またはに記載のフルオロスルホニル基含有モノマーの製造方法。 The manufacturing method of the fluoro sulfonyl group containing monomer of Claim 1 or 2 whose said X is a fluoro sulfonyl group. 前記nが1である、請求項のいずれか一項に記載のフルオロスルホニル基含有モノマーの製造方法。 The method for producing a fluorosulfonyl group-containing monomer according to any one of claims 1 to 3 , wherein n is 1. 前記Rf1が−CFCF−である、請求項のいずれか一項に記載のフルオロスルホニル基含有モノマーの製造方法。 Wherein R f1 is -CF 2 CF 2 - is a method for producing a fluorosulfonyl group-containing monomer according to any one of claims 1 to 4. 請求項のいずれか一項に記載の製造方法によってフルオロスルホニル基含有モノマーを製造し、該フルオロスルホニル基含有モノマーを含むモノマー成分を重合して前記フルオロスルホニル基含有モノマーに由来する構成単位を有するフルオロスルホニル基含有ポリマーを得る、フルオロスルホニル基含有ポリマーの製造方法。 A fluorosulfonyl group-containing monomer is produced by the production method according to any one of claims 1 to 5 , and a structural unit derived from the fluorosulfonyl group-containing monomer by polymerizing a monomer component containing the fluorosulfonyl group-containing monomer. The manufacturing method of a fluoro sulfonyl group containing polymer which obtains the fluoro sulfonyl group containing polymer which has these. 前記モノマー成分が、テトラフルオロエチレンをさらに含む、請求項に記載のフルオロスルホニル基含有ポリマーの製造方法。 The method for producing a fluorosulfonyl group-containing polymer according to claim 6 , wherein the monomer component further comprises tetrafluoroethylene. 請求項またはに記載の製造方法によってフルオロスルホニル基含有ポリマーを製造し、該フルオロスルホニル基含有ポリマーのフルオロスルホニル基をスルホン酸基に変換することによってスルホン酸基含有ポリマーを得る、スルホン酸基含有ポリマーの製造方法。 A sulfonic acid group is obtained by producing a fluorosulfonyl group-containing polymer by the production method according to claim 6 or 7 , and converting the fluorosulfonyl group of the fluorosulfonyl group-containing polymer into a sulfonic acid group to obtain a sulfonic acid group-containing polymer Method for producing containing polymer. 請求項に記載の製造方法によってスルホン酸基含有ポリマーを製造し、該スルホン酸基含有ポリマーと、液状媒体とを混合して液状組成物を得る、液状組成物の製造方法。 The manufacturing method of the liquid composition which manufactures a sulfonic-acid-group containing polymer by the manufacturing method of Claim 8 , mixes this sulfonic-acid-group containing polymer, and a liquid medium, and obtains a liquid composition. 触媒層を有するアノードと、
触媒層を有するカソードと、
前記アノードと前記カソードとの間に配置された固体高分子電解質膜と
を備えた固体高分子形燃料電池用膜電極接合体を製造する方法であって、
請求項に記載の製造方法によって液状組成物を製造し、該液状組成物と触媒とを混合して触媒層形成用塗工液を調製し、該塗工液を用いて前記カソードおよび前記アノードのいずれか一方または両方の触媒層を形成する、膜電極接合体の製造方法。
An anode having a catalyst layer,
A cathode having a catalyst layer,
A method of manufacturing a membrane / electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell, comprising: a solid polymer electrolyte membrane disposed between the anode and the cathode.
A liquid composition is produced by the production method according to claim 9 , and the liquid composition and a catalyst are mixed to prepare a coating liquid for forming a catalyst layer, and the cathode and the anode are produced using the coating liquid. A method of producing a membrane electrode assembly, wherein one or both catalyst layers are formed.
触媒層を有するアノードと、
触媒層を有するカソードと、
前記アノードと前記カソードとの間に配置された固体高分子電解質膜と
を備えた固体高分子形燃料電池用膜電極接合体を製造する方法であって、
請求項に記載の製造方法によって液状組成物を製造し、該液状組成物を用いて前記固体高分子電解質膜を形成する、膜電極接合体の製造方法。
An anode having a catalyst layer,
A cathode having a catalyst layer,
A method of manufacturing a membrane / electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell, comprising: a solid polymer electrolyte membrane disposed between the anode and the cathode.
The manufacturing method of the membrane electrode assembly which manufactures a liquid composition by the manufacturing method of Claim 9 , and forms the said solid polymer electrolyte membrane using this liquid composition.
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