JP7653307B2 - Method for producing carboxylic acid thioester - Google Patents
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Description
本発明は、カルボン酸チオエステルの製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a carboxylic acid thioester.
カルボン酸チオエステルは、医薬品、農薬、液晶等の機能性材料に用いられる含硫黄化合物の合成原料として広く利用されている。カルボン酸チオエステルの製造方法は、一般的にカルボン酸またはカルボン酸誘導体と、チオールとを反応させる方法が知られている。 Carboxylic acid thioesters are widely used as raw materials for the synthesis of sulfur-containing compounds used in functional materials such as pharmaceuticals, agricultural chemicals, and liquid crystals. A commonly known method for producing carboxylic acid thioesters is to react a carboxylic acid or a carboxylic acid derivative with a thiol.
例えば、特許文献1には、カルボン酸無水物とチオールとを、等量の炭酸エステルおよび触媒量のアルカリ塩、アルカリ土類塩存在下で反応させる方法が記載されている。 For example, Patent Document 1 describes a method in which a carboxylic acid anhydride and a thiol are reacted in the presence of an equal amount of a carbonate ester and catalytic amounts of an alkali salt and an alkaline earth salt.
特許文献2および非特許文献1には、触媒量のトリフルオロスルホン酸またはナフィオン存在下、カルボン酸とチオールとを反応させる方法が記載されている。 Patent Document 2 and Non-Patent Document 1 describe a method of reacting a carboxylic acid with a thiol in the presence of a catalytic amount of trifluorosulfonic acid or Nafion.
非特許文献2には、触媒量の塩化ハフニウム(IV)存在下、カルボン酸とチオールとを反応させる方法が記載されている。 Non-Patent Document 2 describes a method of reacting a carboxylic acid with a thiol in the presence of a catalytic amount of hafnium (IV) chloride.
非特許文献3には、触媒量のパーフルオロピリジニウム塩存在下、カルボン酸とチオールとを反応させる方法が記載されている。 Non-Patent Document 3 describes a method of reacting a carboxylic acid with a thiol in the presence of a catalytic amount of a perfluoropyridinium salt.
しかしながら、特許文献1に記載の製造方法では、カルボン酸無水物を原料とするため、等量のカルボン酸が副生し、活性化剤の炭酸エステル由来の副生物も等量発生する。製造工程においては、副生物の除去を必要とするため、大量の廃棄物が生じ、経済面、環境面の観点から問題がある。 However, in the manufacturing method described in Patent Document 1, because carboxylic anhydride is used as a raw material, an equal amount of carboxylic acid is produced as a by-product, and an equal amount of by-product derived from the activator carbonate ester is also produced. In the manufacturing process, the by-product needs to be removed, resulting in a large amount of waste, which is problematic from both an economic and environmental standpoint.
非特許文献2に記載の製造方法では、希少資源であるハフニウムを使用しており、また詳細は不明であるが、ハフニウム触媒の回収には言及しておらず、持続可能性の観点から問題がある。 The manufacturing method described in Non-Patent Document 2 uses hafnium, a rare resource, and although details are unclear, there is no mention of recovering the hafnium catalyst, which poses problems from the perspective of sustainability.
特許文献2、非特許文献1および非特許文献3に記載の製造方法では、アルカリ水溶液等での反応停止工程を要し、製造操作上に問題がある。 The manufacturing methods described in Patent Document 2, Non-Patent Document 1, and Non-Patent Document 3 require a reaction termination step using an alkaline aqueous solution, etc., which poses problems in the manufacturing process.
本発明の目的は、製造操作が簡便であり、廃棄物の量を低減することができ、かつ持続可能性のあるカルボン酸チオエステルの製造方法を提供することにある。 The object of the present invention is to provide a method for producing carboxylic acid thioesters that is easy to operate, reduces waste, and is sustainable.
本発明は、カルボン酸とチオールとを、固体酸触媒の存在下で反応させてカルボン酸チオエステルを製造する、カルボン酸チオエステルの製造方法であって、前記固体酸触媒は、非粒子状有機多孔質強酸性カチオン交換体である、カルボン酸チオエステルの製造方法である。 The present invention is a method for producing a carboxylic acid thioester, which comprises reacting a carboxylic acid with a thiol in the presence of a solid acid catalyst to produce a carboxylic acid thioester, wherein the solid acid catalyst is a non-particulate organic porous strongly acidic cation exchanger .
前記カルボン酸チオエステルの製造方法において、前記強酸性カチオン交換樹脂のカチオン交換容量は、1mg当量/gより大きいことが好ましい。 In the method for producing a carboxylic acid thioester, the cation exchange capacity of the strongly acidic cation exchange resin is preferably greater than 1 mg equivalent/g.
前記カルボン酸チオエステルの製造方法において、前記非粒子状有機多孔質強酸性カチオン交換体は、連続骨格相と連続空孔相とからなり、連続骨格の厚みは、1~100μmの範囲であり、連続空孔の平均直径は、1~1000μmの範囲であり、全細孔容積は、0.5~50mL/gの範囲であり、乾燥状態での重量当りのカチオン交換容量は、1~5mg当量/gの範囲であり、カチオン交換基が前記非粒子状有機多孔質強酸性カチオン交換体中に分布している非粒子状有機多孔質強酸性カチオン交換体であることが好ましい。 In the method for producing a carboxylic acid thioester, the non-particulate organic porous strongly acidic cation exchanger preferably comprises a continuous skeleton phase and a continuous pore phase, the thickness of the continuous skeleton being in the range of 1 to 100 μm, the average diameter of the continuous pores being in the range of 1 to 1000 μm, the total pore volume being in the range of 0.5 to 50 mL/g, the cation exchange capacity per weight in a dry state being in the range of 1 to 5 mg equivalents/g, and the cation exchange groups being distributed throughout the non-particulate organic porous strongly acidic cation exchanger.
本発明によって、製造操作が簡便であり、廃棄物の量を低減することができ、かつ持続可能性のあるカルボン酸チオエステルの製造方法を提供することができる。 The present invention provides a method for producing carboxylic acid thioesters that is simple to operate, reduces waste, and is sustainable.
本発明の実施の形態について以下説明する。本実施形態は本発明を実施する一例であって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。 The following describes an embodiment of the present invention. This embodiment is an example of implementing the present invention, and the present invention is not limited to this embodiment.
<カルボン酸チオエステルの製造方法>
本実施形態に係るカルボン酸チオエステルの製造方法は、カルボン酸とチオールとを、固体酸触媒の存在下で反応させてカルボン酸チオエステルを製造する、カルボン酸チオエステルの製造方法である。ここで、固体酸触媒は、強酸性カチオン交換樹脂である。
<Method of Producing Carboxylic Acid Thioester>
The method for producing a carboxylic acid thioester according to the present embodiment is a method for producing a carboxylic acid thioester by reacting a carboxylic acid with a thiol in the presence of a solid acid catalyst, where the solid acid catalyst is a strongly acidic cation exchange resin.
本発明者らは鋭意検討を行った結果、カルボン酸とチオールとを原料とし、卑近な固体材料である強酸性カチオン交換樹脂を触媒として反応させることによって、簡便な製造操作でカルボン酸チオエステルを得ることができることを見出した。この方法によって、廃棄物の量を低減することができる。また、この方法は、持続可能性のある方法である。 As a result of intensive research, the inventors have found that carboxylic acid thioesters can be obtained through simple manufacturing procedures by reacting carboxylic acids and thiols as raw materials with a strong acid cation exchange resin, a common solid material, as a catalyst. This method can reduce the amount of waste. In addition, this method is a sustainable method.
本実施形態に係るカルボン酸チオエステルの製造方法によれば、カルボン酸とチオールを原料とするため、副生物は水であり、従来の方法に比べて経済的かつ環境負荷の小さい方法でカルボン酸チオエステルを得ることができる。また、反応後、固体酸触媒である強酸性カチオン交換樹脂を除去することによって、カルボン酸チオエステルを得ることができる。したがって、従来の方法で必要な反応停止工程、精製工程を行わなくても、簡便な製造操作でカルボン酸チオエステルを得ることができる。また、卑近な資源である強酸性カチオン交換樹脂を触媒とするため、持続可能性の高い方法でカルボン酸チオエステルを得ることができる。 According to the method for producing a carboxylic acid thioester according to this embodiment, since carboxylic acid and thiol are used as raw materials, the by-product is water, and the carboxylic acid thioester can be obtained economically and with less environmental impact than conventional methods. In addition, the carboxylic acid thioester can be obtained by removing the strong acid cation exchange resin, which is a solid acid catalyst, after the reaction. Therefore, the carboxylic acid thioester can be obtained by a simple production operation without performing the reaction termination step and purification step required in conventional methods. In addition, since the strong acid cation exchange resin, which is a familiar resource, is used as a catalyst, the carboxylic acid thioester can be obtained by a highly sustainable method.
[カルボン酸]
原料として用いられるカルボン酸は、下記一般式(I)で表される。一般式(I)中、R1は、置換されていてもよい炭素数1~30の炭化水素基を表す。
R1-COOH (I)
[Carboxylic acid]
The carboxylic acid used as the raw material is represented by the following general formula (I): In general formula (I), R1 represents an optionally substituted hydrocarbon group having 1 to 30 carbon atoms.
R 1 -COOH (I)
R1で表される炭素数1~30の炭化水素基は、飽和脂肪族炭化水素基、アルケニル基、アルキニル基等の不飽和脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基等が挙げられる。飽和脂肪族炭化水素基、不飽和脂肪族炭化水素基は、直鎖状、分岐状、単環状、多環状のいずれであってもよく、芳香族炭化水素基は、縮環されていてもよい。 Examples of the hydrocarbon group having 1 to 30 carbon atoms represented by R1 include saturated aliphatic hydrocarbon groups, unsaturated aliphatic hydrocarbon groups such as alkenyl groups and alkynyl groups, and aromatic hydrocarbon groups. The saturated aliphatic hydrocarbon group and the unsaturated aliphatic hydrocarbon group may be linear, branched, monocyclic, or polycyclic, and the aromatic hydrocarbon group may be condensed.
R1で表される炭素数1~30の炭化水素基に置換されていてもよい置換基は、反応を阻害するものでなければ、特に制限されるものではなく、炭素数1~30のアルキル基、炭素数2~30のアルケニル基、炭素数2~30のアルキニル基、炭素数1~30のアルコキシ基、ニトロ基、シアノ基、アミノ基等が挙げられる。アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アルコキシ基は、直鎖状、分岐状、単環状、多環状のいずれであってもよい。 The substituent that may be substituted on the hydrocarbon group having 1 to 30 carbon atoms represented by R1 is not particularly limited as long as it does not inhibit the reaction, and examples thereof include an alkyl group having 1 to 30 carbon atoms, an alkenyl group having 2 to 30 carbon atoms, an alkynyl group having 2 to 30 carbon atoms, an alkoxy group having 1 to 30 carbon atoms, a nitro group, a cyano group, an amino group, etc. The alkyl group, alkenyl group, alkynyl group, and alkoxy group may be linear, branched, monocyclic, or polycyclic.
[チオール]
原料として用いられるチオールは、下記一般式(II)で表される。一般式(II)中、R2は、一般式(I)中のR1と同義である。
R2-SH (II)
[Thiol]
The thiol used as the raw material is represented by the following general formula (II): In general formula (II), R2 has the same meaning as R1 in general formula (I).
R 2 -SH (II)
[強酸性カチオン交換樹脂]
触媒として用いられる強酸性カチオン交換樹脂は、カチオン交換基としてスルホン酸基、リン酸基等が導入されたイオン交換樹脂である。強酸性カチオン交換樹脂のカチオン交換容量は、1mg当量/gより大きい。強酸性カチオン交換樹脂のカチオン交換容量は、1mg当量/gより大きく5mg当量/g以下の範囲であることが好ましい。カチオン交換容量が1mg当量/g以下であると、本実施形態に係るカルボン酸チオエステルの製造方法において触媒として機能しない。カチオン交換容量が5mg当量/gを超えても、製造効率の向上は望めない場合がある。
[Strongly acidic cation exchange resin]
The strongly acidic cation exchange resin used as a catalyst is an ion exchange resin into which a sulfonic acid group, a phosphoric acid group, or the like is introduced as a cation exchange group. The strongly acidic cation exchange resin has a cation exchange capacity of more than 1 mg equivalent/g. The strongly acidic cation exchange resin preferably has a cation exchange capacity of more than 1 mg equivalent/g and less than or equal to 5 mg equivalent/g. If the cation exchange capacity is less than 1 mg equivalent/g, the resin does not function as a catalyst in the method for producing a carboxylic acid thioester according to the present embodiment. Even if the cation exchange capacity exceeds 5 mg equivalent/g, there are cases in which an improvement in production efficiency cannot be expected.
強酸性カチオン交換樹脂の種類としては、粒子状有機多孔質カチオン交換体、非粒子状有機多孔質カチオン交換体等が挙げられる。粒子状有機多孔質カチオン交換体の場合、カチオン交換容量が1mg当量/gより大きいものであれば、特に制限はないが、例えば、アンバーリスト(商標)16WET、アンバーリスト(商標)15DRY、アンバーライト(商標)XH2071H(いずれも、オルガノ株式会社製)等が挙げられる。 Types of strongly acidic cation exchange resins include particulate organic porous cation exchangers and non-particulate organic porous cation exchangers. In the case of particulate organic porous cation exchangers, there are no particular limitations as long as the cation exchange capacity is greater than 1 mg equivalent/g, but examples include Amberlyst (trademark) 16 WET, Amberlyst (trademark) 15 DRY, and Amberlite (trademark) XH2071H (all manufactured by Organo Corporation).
強酸性カチオン交換樹脂は、使用する際に必要に応じて前処理を行ってもよい。前処理としては、遊離酸(H形)への変換処理、強酸性カチオン交換樹脂の乾燥処理等が挙げられる。 Strongly acidic cation exchange resins may be pretreated as necessary before use. Pretreatments include conversion to free acids (H form) and drying of the strongly acidic cation exchange resin.
強酸性カチオン交換樹脂の使用量は、カルボン酸チオエステルを製造することができる量であればよく、特に制限されないが、例えば、原料のカルボン酸に対して10~1000質量%の使用量である。原料のカルボン酸に対して10質量%以下の場合、製造効率が低下する場合があり、1000質量%以上を用いても効果の著しい向上は望めない場合がある。 The amount of strongly acidic cation exchange resin used is not particularly limited as long as it is an amount that can produce a carboxylic acid thioester, but for example, it is an amount of 10 to 1000% by mass based on the raw carboxylic acid. If it is less than 10% by mass based on the raw carboxylic acid, the production efficiency may decrease, and even if 1000% by mass or more is used, a significant improvement in effect may not be expected.
[非粒子状有機多孔質強酸性カチオン交換体]
非粒子状有機多孔質カチオン交換体は、連続骨格の相と連続空孔の相を有するモノリス状有機多孔質体にカチオン交換基を導入したものである。モノリス状有機多孔質体は、骨格間に流路となる連通孔を多数有する。なお、本明細書中、「モノリス状有機多孔質体」を単に「モノリス」と、「モノリス状有機多孔質カチオン交換体」を単に「モノリスカチオン交換体」とも言い、また、モノリスの製造における中間体(前駆体)である「モノリス状有機多孔質中間体」を単に「モノリス中間体」とも言う。
[Non-particulate organic porous strongly acidic cation exchanger]
A non-particulate organic porous cation exchanger is a monolithic organic porous material having a continuous framework phase and a continuous pore phase, in which a cation exchange group has been introduced. The monolithic organic porous material has a large number of communicating holes that serve as flow paths between the frameworks. In this specification, the term "monolithic organic porous material" is also referred to simply as "monolith", the term "monolithic organic porous cation exchanger" is also referred to simply as "monolithic cation exchanger", and the term "monolithic organic porous intermediate", which is an intermediate (precursor) in the production of a monolith, is also referred to simply as "monolith intermediate".
この非粒子状有機多孔質カチオン交換体の構造は、特開2002-306976号、特開2009-007550号、特開2009-062512号、特開2009-067982号、特開2009-108294号に開示されている。 The structure of this non-particulate organic porous cation exchanger is disclosed in JP-A-2002-306976, JP-A-2009-007550, JP-A-2009-062512, JP-A-2009-067982, and JP-A-2009-108294.
非粒子状有機多孔質カチオン交換体は、連続骨格相と連続空孔相とからなり、連続骨格の厚みは、1~100μmの範囲であり、連続空孔の平均直径は、1~1000μmの範囲であり、全細孔容積は、0.5~50mL/gの範囲であり、乾燥状態での重量当りのカチオン交換容量は、1~5mg当量/gの範囲であり、カチオン交換基が有機多孔質カチオン交換体中に分布していることが好ましい。連続骨格相と連続空孔相は、SEM画像により観察される。 The non-particulate organic porous cation exchanger preferably comprises a continuous framework phase and a continuous pore phase, the thickness of the continuous framework being in the range of 1 to 100 μm, the average diameter of the continuous pores being in the range of 1 to 1000 μm, the total pore volume being in the range of 0.5 to 50 mL/g, the cation exchange capacity per weight in the dry state being in the range of 1 to 5 mg equivalent/g, and the cation exchange groups being distributed in the organic porous cation exchanger. The continuous framework phase and the continuous pore phase are observed by SEM images.
非粒子状有機多孔質カチオン交換体の乾燥状態での連続骨格の厚みは、1~100μmの範囲であることが好ましい。非粒子状有機多孔質カチオン交換体の乾燥状態での連続骨格の厚みは、SEM観察により決定される。この連続骨格の厚みが1μm未満または100μmを超えると、反応の際の被処理液とモノリスカチオン交換体との接触が不十分となり、カチオン交換性能が低下し、反応効率が低下してしまう場合がある。 The thickness of the continuous skeleton of the non-particulate organic porous cation exchanger in a dry state is preferably in the range of 1 to 100 μm. The thickness of the continuous skeleton of the non-particulate organic porous cation exchanger in a dry state is determined by SEM observation. If the thickness of this continuous skeleton is less than 1 μm or more than 100 μm, the contact between the treated liquid and the monolithic cation exchanger during the reaction may be insufficient, resulting in a decrease in cation exchange performance and a decrease in reaction efficiency.
非粒子状有機多孔質カチオン交換体の乾燥状態での連続空孔の平均直径は、1~1000μmの範囲であることが好ましい。非粒子状有機多孔質カチオン交換体の乾燥状態での連続空孔の平均直径は、水銀圧入法により測定され、水銀圧入法により得られた細孔分布曲線の極大値を指す。この連続空孔の平均直径が1μm未満または1000μmを超えると、反応の際の被処理液とモノリスカチオン交換体との接触が不十分となり、カチオン交換性能が低下し、反応効率が低下してしまう場合がある。 The average diameter of the continuous pores in the non-particulate organic porous cation exchanger in a dry state is preferably in the range of 1 to 1000 μm. The average diameter of the continuous pores in the non-particulate organic porous cation exchanger in a dry state is measured by mercury intrusion porosimetry and refers to the maximum value of the pore distribution curve obtained by mercury intrusion porosimetry. If the average diameter of the continuous pores is less than 1 μm or exceeds 1000 μm, contact between the treated liquid and the monolithic cation exchanger during the reaction may be insufficient, resulting in a decrease in cation exchange performance and a decrease in reaction efficiency.
非粒子状有機多孔質カチオン交換体の乾燥状態での全細孔容積は0.5~50mL/gの範囲であることが好ましい。非粒子状有機多孔質カチオン交換体の乾燥状態での全細孔容積は、水銀圧入法で測定される。この全細孔容積が0.5mL/g未満であると、反応の際の被処理液とモノリスカチオン交換体との接触が不十分となってしまう場合がある。この全細孔容積が50mL/gを超えると、非粒子状有機多孔質カチオン交換体の機械的強度が低下し、操作上の簡便さが損なわれる場合がある。 The total pore volume of the non-particulate organic porous cation exchanger in a dry state is preferably in the range of 0.5 to 50 mL/g. The total pore volume of the non-particulate organic porous cation exchanger in a dry state is measured by mercury intrusion porosimetry. If this total pore volume is less than 0.5 mL/g, the contact between the treated liquid and the monolithic cation exchanger during the reaction may be insufficient. If this total pore volume exceeds 50 mL/g, the mechanical strength of the non-particulate organic porous cation exchanger may decrease, and ease of operation may be impaired.
非粒子状有機多孔質カチオン交換体の乾燥状態での重量当りのカチオン交換容量は、1~5mg当量/gの範囲であることが好ましい。非粒子状有機多孔質カチオン交換体の乾燥状態での重量当りのカチオン交換容量は、中和滴定、沈殿滴定等の方法で測定される。このカチオン交換容量が1mg当量/g未満であると、交換、担持できるカチオン量が少なくなり、反応効率が低下してしまう場合がある。このカチオン交換容量が5mg当量/gを超えると、カチオン交換基導入反応が過酷な条件となり、モノリスの酸化劣化が著しく進んでしまう場合がある。 The cation exchange capacity per weight of the non-particulate organic porous cation exchanger in a dry state is preferably in the range of 1 to 5 mg equivalents/g. The cation exchange capacity per weight of the non-particulate organic porous cation exchanger in a dry state is measured by a method such as neutralization titration or precipitation titration. If this cation exchange capacity is less than 1 mg equivalent/g, the amount of cations that can be exchanged and supported decreases, and the reaction efficiency may decrease. If this cation exchange capacity exceeds 5 mg equivalent/g, the conditions for the cation exchange group introduction reaction become severe, and the oxidative deterioration of the monolith may progress significantly.
非粒子状有機多孔質カチオン交換体において、導入されているカチオン交換基は、モノリスの表面のみならず、モノリスの骨格内部にまで、すなわち有機多孔質カチオン交換体中に分布していることが好ましく、均一に分布していることがより好ましい。「カチオン交換基が有機多孔質カチオン交換体中に均一に分布している」とは、カチオン交換基の分布が少なくともμmオーダーで有機多孔質カチオン交換体の表面および骨格内部に分布していることを指す。カチオン交換基の分布状況は、電子プローブマイクロアナライザー(EPMA)を用いることによって確認される。カチオン交換基がモノリスの表面のみならずモノリスの骨格内部にまで分布していると、モノリスの表面と内部の物理的性質および化学的性質をほぼ均一にできるため、膨潤および収縮に対する耐久性が向上する。 In the non-particulate organic porous cation exchanger, the cation exchange groups introduced are preferably distributed not only on the surface of the monolith but also inside the skeleton of the monolith, i.e., in the organic porous cation exchanger, and more preferably distributed uniformly. "Cation exchange groups are uniformly distributed in the organic porous cation exchanger" means that the cation exchange groups are distributed on the surface and inside the skeleton of the organic porous cation exchanger at least on the order of μm. The distribution of the cation exchange groups is confirmed by using an electron probe microanalyzer (EPMA). If the cation exchange groups are distributed not only on the surface of the monolith but also inside the skeleton of the monolith, the physical and chemical properties of the surface and inside of the monolith can be made almost uniform, improving the durability against swelling and shrinkage.
非粒子状有機多孔質カチオン交換体において、連続骨格を構成する材料は、架橋構造を有する有機ポリマー材料である。有機ポリマー材料を構成する全構成単位に対して、0.1~30モル%の架橋構造単位を含んでいることが好ましく、0.1~20モル%の架橋構造単位を含んでいることがより好ましい。 In the non-particulate organic porous cation exchanger, the material constituting the continuous skeleton is an organic polymer material having a crosslinked structure. It is preferable that the organic polymer material contains 0.1 to 30 mol % of crosslinked structural units, and more preferably 0.1 to 20 mol % of crosslinked structural units, based on the total structural units constituting the organic polymer material.
有機ポリマー材料の種類に特に制限はなく、例えば、ポリスチレン、ポリ(α-メチルスチレン)、ポリビニルトルエン、ポリビニルベンジルクロライド、ポリビニルビフェニル、ポリビニルナフタレン等の芳香族ビニルポリマー;ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン;ポリ塩化ビニル、ポリテトラフルオロエチレン等のポリ(ハロゲン化ポリオレフィン);ポリアクリロニトリル等のニトリル系ポリマー;ポリメタクリル酸メチル、ポリメタクリル酸グリシジル、ポリアクリル酸エチル等の(メタ)アクリル系ポリマー等の架橋重合体が挙げられる。有機ポリマー材料は、単独のビニルモノマーと架橋剤を共重合させて得られるポリマーでも、複数のビニルモノマーと架橋剤を重合させて得られるポリマーであってもよく、また、二種類以上のポリマーがブレンドされたものであってもよい。これら有機ポリマー材料の中で、連続構造形成の容易さ、カチオン交換基導入の容易性と機械的強度の高さ、および酸またはアルカリに対する安定性の高さから、芳香族ビニルポリマーの架橋重合体が好ましく、特に、スチレン-ジビニルベンゼン系共重合体やビニルベンジルクロライド-ジビニルベンゼン系共重合体が好ましい材料として挙げられる。 The type of organic polymer material is not particularly limited, and examples thereof include aromatic vinyl polymers such as polystyrene, poly(α-methylstyrene), polyvinyltoluene, polyvinylbenzyl chloride, polyvinylbiphenyl, and polyvinylnaphthalene; polyolefins such as polyethylene and polypropylene; poly(halogenated polyolefins) such as polyvinyl chloride and polytetrafluoroethylene; nitrile polymers such as polyacrylonitrile; and crosslinked polymers such as (meth)acrylic polymers such as polymethyl methacrylate, polyglycidyl methacrylate, and polyethyl acrylate. The organic polymer material may be a polymer obtained by copolymerizing a single vinyl monomer and a crosslinking agent, or a polymer obtained by polymerizing multiple vinyl monomers and a crosslinking agent, or may be a blend of two or more polymers. Among these organic polymer materials, crosslinked polymers of aromatic vinyl polymers are preferred because of the ease of forming a continuous structure, the ease of introducing cation exchange groups, high mechanical strength, and high stability against acids or alkalis. In particular, styrene-divinylbenzene copolymers and vinylbenzyl chloride-divinylbenzene copolymers are preferred materials.
非粒子状有機多孔質カチオン交換体に導入されているカチオン交換基は、スルホン酸基、リン酸基等が挙げられるが、製造方法が簡易である点で、スルホン酸基であることが好ましい。 The cation exchange groups introduced into the non-particulate organic porous cation exchanger include sulfonic acid groups, phosphoric acid groups, etc., but sulfonic acid groups are preferred because of the ease of their production method.
[第1~第5のモノリスカチオン交換体]
非粒子状有機多孔質カチオン交換体のより具体的な実施形態として、例えば、以下に示す第1のモノリス状有機多孔質カチオン交換体(モノリスカチオン交換体)~第5のモノリス状有機多孔質カチオン交換体(モノリスカチオン交換体)が挙げられる。以下の説明において、上記の非粒子状有機多孔質カチオン交換体と同様の構成については、その説明を省略する。
[First to fifth monolithic cation exchangers]
More specific embodiments of the non-particulate organic porous cation exchanger include, for example, the first monolithic organic porous cation exchanger (monolithic cation exchanger) to the fifth monolithic organic porous cation exchanger (monolithic cation exchanger) shown below. In the following description, the description of the same configuration as the above non-particulate organic porous cation exchanger is omitted.
(第1のモノリスカチオン交換体)
第1のモノリスカチオン交換体は、互いにつながっているマクロポアとマクロポアの壁内に平均直径が1~1000μmの範囲の共通の開口(メソポア)を有する連続マクロポア構造を有し、全細孔容積が1~50mL/gの範囲であり、乾燥状態での重量当りのカチオン交換容量は、1~5mg当量/gの範囲であり、カチオン交換基が有機多孔質カチオン交換体中に分布しているモノリスカチオン交換体である。
(First monolith cation exchanger)
The first monolithic cation exchanger has a continuous macropore structure having interconnected macropores and common openings (mesopores) with an average diameter in the range of 1 to 1000 μm in the walls of the macropores, a total pore volume in the range of 1 to 50 mL/g, a cation exchange capacity per weight in a dry state in the range of 1 to 5 mg equivalent/g, and a cation exchange group distributed in the organic porous cation exchanger.
第1のモノリスカチオン交換体は、図1に示すように、連続するマクロポア(細孔)をもつ連続マクロポア構造体である。第1のモノリスカチオン交換体およびその製造方法は、特開2002-306976号に開示されている。 The first monolith cation exchanger is a continuous macropore structure having continuous macropores (fine pores) as shown in Figure 1. The first monolith cation exchanger and its manufacturing method are disclosed in JP 2002-306976 A.
第1のモノリスカチオン交換体は、互いにつながっているマクロポアとマクロポアの壁内に位置する共通の開口(メソポア)を有する。メソポアは、マクロポア同士が重なり合う重複部分を持つ。このメソポアの重複部分は、乾燥状態で平均直径1~1000μmの範囲であることが好ましく、10~200μmの範囲であることがより好ましく、20~200μmの範囲であることがさらに好ましい。乾燥状態の第1のモノリスの開口の平均直径は、水銀圧入法により測定され、水銀圧入法により得られる細孔分布曲線の極大値を指す。 The first monolith cation exchanger has interconnected macropores and common openings (mesopores) located within the walls of the macropores. The mesopores have overlapping portions where the macropores overlap. The overlapping portions of the mesopores preferably have an average diameter in the dry state of 1 to 1000 μm, more preferably in the range of 10 to 200 μm, and even more preferably in the range of 20 to 200 μm. The average diameter of the openings of the first monolith in the dry state is measured by mercury intrusion porosimetry and refers to the maximum value of the pore distribution curve obtained by mercury intrusion porosimetry.
このような第1のモノリスカチオン交換体の大部分は、マクロポアとメソポアで形成される空隙内が流路となるオープンポア構造となっている。メソポアの重複部分の乾燥状態での平均直径が1μm未満または1000μmを超えると、反応の際の被処理液とモノリスカチオン交換体との接触が不十分となり、カチオン交換性能が低下し、反応効率が低下してしまう場合がある。マクロポアとマクロポアの重なりは、例えば、1個のマクロポアで1~12個、多くのものは3~10個である。第1のモノリスカチオン交換体は、上述の連続マクロポア構造体であるため、マクロポアの群や共通細孔の群をほぼ均一に形成できると共に、特開平8-252579号公報等に記載されるような粒子凝集型多孔質体に比べて、細孔容積や比表面積を格段に大きくすることができる。 Most of such first monolith cation exchangers have an open pore structure in which the voids formed by the macropores and mesopores serve as flow paths. If the average diameter of the overlapping parts of the mesopores in a dry state is less than 1 μm or exceeds 1000 μm, the contact between the treated liquid and the monolith cation exchanger during the reaction may be insufficient, resulting in a decrease in cation exchange performance and a decrease in reaction efficiency. The overlapping of macropores is, for example, 1 to 12 in one macropore, and in most cases 3 to 10. Since the first monolith cation exchanger is the above-mentioned continuous macropore structure, it is possible to form groups of macropores and groups of common pores almost uniformly, and it is possible to significantly increase the pore volume and specific surface area compared to particle agglomeration type porous bodies such as those described in JP-A-8-252579.
第1のモノリスカチオン交換体の乾燥状態での重量当りの全細孔容積は、1~50mL/gの範囲であることが好ましく、2~30mL/gの範囲であることがより好ましい。乾燥状態での重量当りの全細孔容積が1mL/g未満であると、単位断面積当りの接触面積が小さくなり、処理能力が低下してしまう場合がある。乾燥状態での重量当りの全細孔容積が50mL/gを超えると、機械的強度が低下して、操作上の簡便さが損なわれる場合がある。 The total pore volume per weight of the first monolith cation exchanger in a dry state is preferably in the range of 1 to 50 mL/g, and more preferably in the range of 2 to 30 mL/g. If the total pore volume per weight in a dry state is less than 1 mL/g, the contact area per unit cross-sectional area may become small, resulting in a decrease in processing capacity. If the total pore volume per weight in a dry state exceeds 50 mL/g, the mechanical strength may decrease, resulting in a decrease in ease of operation.
乾燥状態での重量当りのカチオン交換容量については、前述の通りである。また、「カチオン交換基が有機多孔質カチオン交換体中に分布している」ことについては、前述の通りである。 The cation exchange capacity per weight in a dry state is as described above. In addition, the fact that "cation exchange groups are distributed in the organic porous cation exchanger" is as described above.
(第1のモノリスカチオン交換体の製造方法)
第1のモノリスカチオン交換体は、例えば、次の方法によって製造することができる。
(Method for producing the first monolithic cation exchanger)
The first monolithic cation exchanger can be produced, for example, by the following method.
例えば、まず、カチオン交換基を含まない油溶性モノマー、界面活性剤、水および必要に応じて重合開始剤を混合し、油中水滴型エマルジョンを得ることができる。次に、この油中水滴型エマルジョンを重合させて第1のモノリスを形成することができる。 For example, an oil-soluble monomer not containing a cation exchange group, a surfactant, water, and optionally a polymerization initiator can be mixed to obtain a water-in-oil emulsion. This water-in-oil emulsion can then be polymerized to form a first monolith.
第1のモノリスの製造で用いられるカチオン交換基を含まない油溶性モノマーとしては、カチオン交換基を含まず、水に対する溶解性が低く、親油性のモノマーを指すものである。このモノマーは、例えば、スチレン、α-メチルスチレン、ビニルベンジルクロライド、エチレン、プロピレン、アクリロニトリル、メタクリロニトリル等である。これらモノマーは、一種単独または二種以上を組み合わせて使用することができる。ただし、ジビニルベンゼン等の架橋性モノマーを少なくとも油溶性モノマーの一成分として選択し、その含有量を全油溶性モノマー中、例えば0.3~10モル%の範囲、好適には0.3~5モル%の範囲とすることが、後の工程でカチオン交換基を定量的に導入し、かつ、実用的に十分な機械的強度を確保できる点で好ましい。 The oil-soluble monomer not containing a cation exchange group used in the production of the first monolith refers to a monomer that does not contain a cation exchange group, has low solubility in water, and is lipophilic. Examples of such monomers include styrene, α-methylstyrene, vinylbenzyl chloride, ethylene, propylene, acrylonitrile, and methacrylonitrile. These monomers can be used alone or in combination of two or more. However, it is preferable to select a crosslinkable monomer such as divinylbenzene as at least one component of the oil-soluble monomer and set its content in the range of, for example, 0.3 to 10 mol%, preferably 0.3 to 5 mol%, of the total oil-soluble monomers, in order to quantitatively introduce the cation exchange group in a later step and ensure sufficient mechanical strength for practical use.
第1のモノリスの製造で用いられる界面活性剤は、カチオン交換基を含まない油溶性モノマーと水とを混合した際に、油中水滴型(W/O)エマルジョンを形成できるものであればよく、特に制限はない。界面活性剤は、例えば、ソルビタンモノオレエート、ソルビタンモノラウレート、ポリオキシエチレンノニルフェニルエーテル等の非カチオン界面活性剤;オレイン酸カリウム、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム、スルホコハク酸ジオクチルナトリウム等の陰カチオン界面活性剤;ジステアリルジメチルアンモニウムクロライド等の陽カチオン界面活性剤;ラウリルジメチルベタイン等の両性界面活性剤である。これら界面活性剤は、一種単独または二種類以上を組み合わせて使用することができる。油中水滴型エマルジョンとは、油相が連続相となり、その中に水滴が分散しているエマルジョンを言う。界面活性剤の添加量は、例えば、油溶性モノマーと界面活性剤の合計量に対して約2~70%の範囲とすればよい。モノリスの気泡形状やサイズを制御するために、メタノール、ステアリルアルコール等のアルコール;ステアリン酸等のカルボン酸;オクタン、ドデカン、トルエン等の炭化水素;テトラヒドロフラン、ジオキサン等の環状エーテル等を系内に共存させることもできる。 The surfactant used in the production of the first monolith is not particularly limited as long as it can form a water-in-oil (W/O) emulsion when an oil-soluble monomer not containing a cation exchange group is mixed with water. Examples of the surfactant include non-cationic surfactants such as sorbitan monooleate, sorbitan monolaurate, and polyoxyethylene nonylphenyl ether; anionic surfactants such as potassium oleate, sodium dodecylbenzenesulfonate, and dioctyl sodium sulfosuccinate; cationic surfactants such as distearyl dimethyl ammonium chloride; and amphoteric surfactants such as lauryl dimethyl betaine. These surfactants can be used alone or in combination of two or more. A water-in-oil emulsion is an emulsion in which the oil phase is the continuous phase and water droplets are dispersed therein. The amount of surfactant added may be, for example, in the range of about 2 to 70% of the total amount of the oil-soluble monomer and the surfactant. In order to control the shape and size of the monolith's bubbles, alcohols such as methanol and stearyl alcohol; carboxylic acids such as stearic acid; hydrocarbons such as octane, dodecane, and toluene; and cyclic ethers such as tetrahydrofuran and dioxane can also be present in the system.
第1のモノリスの製造において、重合によりモノリスを形成する際、必要に応じて用いられる重合開始剤は、熱および光照射によりラジカルを発生する化合物が好適に用いられる。重合開始剤は、水溶性であっても油溶性であってもよく、例えば、アゾビスイソブチロニトリル、アゾビスジメチルバレロニトリル、アゾビスシクロヘキサンニトリル、アゾビスシクロヘキサンカルボニトリル、過酸化ベンゾイル、過硫酸カリウム、過硫酸アンモニウム、過酸化水素-塩化第一鉄、過硫酸ナトリウム-酸性亜硫酸ナトリウム、テトラメチルチウラムジスルフィド等である。ただし、場合によっては、重合開始剤を添加しなくても加熱のみや光照射のみで重合が進行する系もあるため、そのような系では重合開始剤を添加しなくてもよい。 In the manufacture of the first monolith, when forming a monolith by polymerization, a polymerization initiator that is used as necessary is preferably a compound that generates radicals when exposed to heat and light. The polymerization initiator may be water-soluble or oil-soluble, and examples include azobisisobutyronitrile, azobisdimethylvaleronitrile, azobiscyclohexanenitrile, azobiscyclohexanecarbonitrile, benzoyl peroxide, potassium persulfate, ammonium persulfate, hydrogen peroxide-ferrous chloride, sodium persulfate-acidic sodium sulfite, and tetramethylthiuram disulfide. However, in some cases, there are systems in which polymerization proceeds only by heating or exposure to light without the addition of a polymerization initiator, and in such systems, it is not necessary to add a polymerization initiator.
第1のモノリスの製造において、油中水滴型エマルジョンを重合させる重合条件は、モノマーの種類、開始剤系等により様々な条件が選択できる。重合開始剤として、例えばアゾビスイソブチロニトリル、過酸化ベンゾイル、過硫酸カリウム等を用いたときには、例えば、不活性雰囲気下の密封容器内において、例えば30~100℃で1~48時間、加熱重合させればよい。重合開始剤として過酸化水素-塩化第一鉄、過硫酸ナトリウム-酸性亜硫酸ナトリウム等を用いたときには、例えば、不活性雰囲気下の密封容器内において、例えば0~30℃で1~48時間重合させればよい。重合終了後、内容物を取り出し、例えば、イソプロパノール等の溶剤でソックスレー抽出し、未反応モノマーと残留界面活性剤を除去して第1のモノリスを得ることができる。 In the production of the first monolith, the polymerization conditions for polymerizing the water-in-oil emulsion can be selected from various conditions depending on the type of monomer, initiator system, etc. When azobisisobutyronitrile, benzoyl peroxide, potassium persulfate, etc. are used as the polymerization initiator, for example, the polymerization can be carried out by heating in a sealed container under an inert atmosphere at 30 to 100°C for 1 to 48 hours. When hydrogen peroxide-ferrous chloride, sodium persulfate-acidic sodium sulfite, etc. are used as the polymerization initiator, the polymerization can be carried out in a sealed container under an inert atmosphere at 0 to 30°C for 1 to 48 hours. After the polymerization is completed, the contents are removed and subjected to Soxhlet extraction with a solvent such as isopropanol to remove unreacted monomers and residual surfactants, thereby obtaining the first monolith.
第1のモノリスにカチオン交換基を導入する方法として、例えば、次の(1),(2)の方法がある。(1)カチオン交換基を含まないモノマーに代えて、カチオン交換基を含むモノマー、例えば、上記カチオン交換基を含まない油溶性モノマーに、カチオン交換基が導入されているモノマーを用いて重合させ、一段階でモノリスカチオン交換体にすることができる。(2)カチオン交換基を含まないモノマーを用いて重合させて第1のモノリスを形成し、次いで、カチオン交換基を導入することができる。 Methods for introducing cation exchange groups into the first monolith include, for example, the following methods (1) and (2). (1) Instead of a monomer that does not contain a cation exchange group, a monomer that contains a cation exchange group, for example, the oil-soluble monomer that does not contain the above-mentioned cation exchange group, can be polymerized with a monomer into which a cation exchange group has been introduced, to produce a monolith cation exchanger in one step. (2) A monomer that does not contain a cation exchange group can be polymerized to form the first monolith, and then a cation exchange group can be introduced.
第1のモノリスにカチオン交換基を導入する方法としては、特に制限はなく、高分子反応やグラフト重合等の公知の方法を用いることができ、例えば、スチレン-ジビニルベンゼン系共重合体のモノリスと、濃硫酸とを反応させる方法や、スチレン-ジビニルベンゼン系共重合体のモノリスと、クロロスルホン酸とを有機溶媒中で反応させる方法等が挙げられる。 There are no particular limitations on the method for introducing cation exchange groups into the first monolith, and known methods such as polymer reactions and graft polymerization can be used. For example, a method of reacting a monolith of a styrene-divinylbenzene copolymer with concentrated sulfuric acid, or a method of reacting a monolith of a styrene-divinylbenzene copolymer with chlorosulfonic acid in an organic solvent can be used.
(第2のモノリスカチオン交換体)
第2のモノリスカチオン交換体は、平均粒子径1~50μmの範囲の有機ポリマー粒子が凝集して三次元的に連続した骨格部分を形成し、その骨格間に平均直径が20~100μmの範囲の三次元的に連続した空孔を有し、全細孔容積は、1~10mL/gの範囲であり、乾燥状態での重量当りのカチオン交換容量は、1~5mg当量/gの範囲であり、カチオン交換基が有機多孔質カチオン交換体中に分布しているモノリスカチオン交換体である。
(Second Monolith Cation Exchanger)
The second monolith cation exchanger is a monolith cation exchanger in which organic polymer particles having an average particle size in the range of 1 to 50 μm are aggregated to form a three-dimensionally continuous skeleton, the skeleton having three-dimensionally continuous pores having an average diameter in the range of 20 to 100 μm between the skeletons, a total pore volume in the range of 1 to 10 mL/g, a cation exchange capacity per weight in a dry state in the range of 1 to 5 mg equivalent/g, and cation exchange groups distributed in the organic porous cation exchanger.
第2のモノリスカチオン交換体は、図2に示すように、粒子を凝集した粒子凝集型構造体である。第2のモノリスカチオン交換体およびその製造方法は、特開2009-007550号に開示されている。 The second monolith cation exchanger is a particle aggregate structure formed by agglomerating particles, as shown in Figure 2. The second monolith cation exchanger and its manufacturing method are disclosed in JP 2009-007550 A.
第2のモノリスカチオン交換体は、架橋構造単位を有する平均粒子径が乾燥状態で好ましくは1~50μmの範囲、より好ましくは1~30μmの範囲の有機ポリマー粒子が凝集して三次元的に連続した骨格部分を有する。第2のモノリスカチオン交換体は、その連続骨格間に平均直径が乾燥状態で好ましくは20~100μmの範囲、より好ましくは20~90μmの範囲の三次元的に連続した空孔(連続空孔)を有する。乾燥状態の第2のモノリスカチオン交換体の断面の任意に抽出した部分のSEM写真を撮り、そのSEM写真中の全粒子の有機ポリマー粒子の直径を測定して、それらの平均値を平均粒子径とする。乾燥状態の連続空孔の平均直径は、第1のモノリスカチオン交換体同様、水銀圧入法により求められる。 The second monolith cation exchanger has a three-dimensionally continuous skeleton formed by the aggregation of organic polymer particles having crosslinked structural units and an average particle diameter in the dry state of preferably 1 to 50 μm, more preferably 1 to 30 μm. The second monolith cation exchanger has three-dimensionally continuous pores (continuous pores) between the continuous skeletons, the average diameter in the dry state of preferably 20 to 100 μm, more preferably 20 to 90 μm. An SEM photograph is taken of an arbitrarily selected portion of the cross section of the second monolith cation exchanger in a dry state, the diameters of the organic polymer particles of all the particles in the SEM photograph are measured, and the average value of these is taken as the average particle diameter. The average diameter of the continuous pores in the dry state is determined by mercury intrusion porosimetry, as in the first monolith cation exchanger.
有機ポリマー粒子の平均粒子径が乾燥状態で1μm未満であると、骨格間の連続した空孔の平均直径が乾燥状態で20μm未満と小さくなってしまう場合がある。有機ポリマー粒子の平均粒子径が50μmを超えると、反応の際の被処理液とモノリスカチオン交換体との接触が不十分となり、カチオン交換性能が低下し、反応効率が低下してしまう場合がある。また、前述の連続空孔の平均直径が乾燥状態で20μm未満または100μmを超えると、反応の際の被処理液とモノリスカチオン交換体との接触が不十分となり、カチオン交換性能が低下し、反応効率が低下してしまう場合がある。 If the average particle diameter of the organic polymer particles is less than 1 μm in a dry state, the average diameter of the continuous pores between the skeletons may become small, less than 20 μm in a dry state. If the average particle diameter of the organic polymer particles exceeds 50 μm, the contact between the treated liquid and the monolith cation exchanger during the reaction may be insufficient, resulting in a decrease in cation exchange performance and a decrease in reaction efficiency. In addition, if the average diameter of the aforementioned continuous pores is less than 20 μm or exceeds 100 μm in a dry state, the contact between the treated liquid and the monolith cation exchanger during the reaction may be insufficient, resulting in a decrease in cation exchange performance and a decrease in reaction efficiency.
第2のモノリスカチオン交換体の乾燥状態での重量当りの全細孔容積は、好ましくは1~10mL/gの範囲である。全細孔容積が1mL/g未満であると、単位断面積当りの接触量が小さくなり、処理能力が低下してしまう場合がある。全細孔容積が10mL/gを超えると、機械的強度が低下して、操作上の簡便さが損なわれる場合がある。 The total pore volume per weight of the second monolith cation exchanger in a dry state is preferably in the range of 1 to 10 mL/g. If the total pore volume is less than 1 mL/g, the contact amount per unit cross-sectional area will be small, and the processing capacity may decrease. If the total pore volume exceeds 10 mL/g, the mechanical strength will decrease, and ease of operation may be impaired.
乾燥状態での重量当りのカチオン交換容量については、前述の通りである。また、「カチオン交換基が有機多孔質カチオン交換体中に分布している」ことについては、前述の通りである。 The cation exchange capacity per weight in a dry state is as described above. In addition, the fact that "cation exchange groups are distributed in the organic porous cation exchanger" is as described above.
(第2のモノリスカチオン交換体の製造方法)
第2のモノリスカチオン交換体は、例えば、次の方法によって製造することができる。
(Method for producing the second monolithic cation exchanger)
The second monolithic cation exchanger can be prepared, for example, by the following method.
例えば、ビニルモノマー、特定量の架橋剤、有機溶媒および重合開始剤を混合し、静置状態でこれを重合させることにより、第2のモノリスを得ることができる。 For example, the second monolith can be obtained by mixing a vinyl monomer, a specific amount of a cross-linking agent, an organic solvent, and a polymerization initiator, and polymerizing the mixture in a stationary state.
第2のモノリスの製造に用いられるビニルモノマーは、第1のモノリスの製造に用いられるモノマーと同様である。 The vinyl monomer used in producing the second monolith is the same as the monomer used in producing the first monolith.
第2のモノリスの製造に用いられる架橋剤は、分子中に少なくとも2個の重合可能なビニル基を含有し、有機溶媒への溶解性が高いものが好ましい。架橋剤は、例えば、ジビニルベンゼン、ジビニルビフェニル、エチレングリコールジメタクリレートである。これら架橋剤は、一種単独または二種以上を組み合わせて使用することができる。好ましい架橋剤は、機械的強度の高さと加水分解に対する安定性等の点から、ジビニルベンゼン、ジビニルナフタレン、ジビニルビフェニル等の芳香族ポリビニル化合物である。ビニルモノマーと架橋剤の合計量に対する架橋剤の使用量({架橋剤/(ビニルモノマー+架橋剤)}×100)は、例えば1~5モル%の範囲、好ましくは1~4モル%の範囲である。 The crosslinking agent used in the production of the second monolith preferably contains at least two polymerizable vinyl groups in the molecule and is highly soluble in an organic solvent. Examples of the crosslinking agent include divinylbenzene, divinylbiphenyl, and ethylene glycol dimethacrylate. These crosslinking agents can be used alone or in combination of two or more. Preferred crosslinking agents are aromatic polyvinyl compounds such as divinylbenzene, divinylnaphthalene, and divinylbiphenyl, from the viewpoints of high mechanical strength and stability against hydrolysis. The amount of crosslinking agent used relative to the total amount of vinyl monomer and crosslinking agent ({crosslinking agent/(vinyl monomer+crosslinking agent)}×100) is, for example, in the range of 1 to 5 mol%, preferably in the range of 1 to 4 mol%.
第2のモノリスの製造に用いられる有機溶媒は、ビニルモノマーや架橋剤は溶解するがビニルモノマーが重合して生成するポリマーはほとんど溶解しない有機溶媒、言い換えると、ビニルモノマーが重合して生成するポリマーに対する貧溶媒である。この有機溶媒は、例えば、ビニルモノマーがスチレンの場合、メタノール、ブタノール、オクタノール等のアルコール類;ジエチルエーテル、エチレングリコールジメチルエーテル等の鎖状エーテル類;ヘキサン、オクタン、デカン等の鎖状飽和炭化水素類等である。 The organic solvent used in the production of the second monolith is an organic solvent that dissolves the vinyl monomer and the crosslinking agent but hardly dissolves the polymer produced by polymerization of the vinyl monomer, in other words, it is a poor solvent for the polymer produced by polymerization of the vinyl monomer. For example, when the vinyl monomer is styrene, this organic solvent is an alcohol such as methanol, butanol, octanol, etc.; a chain ether such as diethyl ether, ethylene glycol dimethyl ether, etc.; a chain saturated hydrocarbon such as hexane, octane, decane, etc.
第2のモノリスの製造に用いられる重合開始剤は、熱および光照射によりラジカルを発生する化合物が好ましい。重合開始剤は油溶性であることが好ましい。重合開始剤は、例えば、2,2’-アゾビス(イソブチロニトリル)、2,2’-アゾビス(2,4-ジメチルバレロニトリル)、2,2’-アゾビス(2-メチルブチロニトリル)、2,2’-アゾビス(4-メトキシ-2,4-ジメチルバレロニトリル)、2,2’-アゾビスイソ酪酸ジメチル、4,4’-アゾビス(4-シアノ吉草酸)、1,1’-アゾビス(シクロヘキサン-1-カルボニトリル)、過酸化ベンゾイル、過酸化ラウロイル、過硫酸カリウム、過硫酸アンモニウム、テトラメチルチウラムジスルフィド等である。ビニルモノマーと架橋剤の合計量に対する重合開始剤の使用量({重合開始剤/(ビニルモノマー+架橋剤)}×100)は、例えば約0.01~5モル%の範囲である。 The polymerization initiator used in the production of the second monolith is preferably a compound that generates radicals by heat and light irradiation. The polymerization initiator is preferably oil-soluble. Examples of the polymerization initiator include 2,2'-azobis(isobutyronitrile), 2,2'-azobis(2,4-dimethylvaleronitrile), 2,2'-azobis(2-methylbutyronitrile), 2,2'-azobis(4-methoxy-2,4-dimethylvaleronitrile), 2,2'-azobisisobutyric acid dimethyl, 4,4'-azobis(4-cyanovaleric acid), 1,1'-azobis(cyclohexane-1-carbonitrile), benzoyl peroxide, lauroyl peroxide, potassium persulfate, ammonium persulfate, and tetramethylthiuram disulfide. The amount of polymerization initiator used relative to the total amount of vinyl monomer and crosslinker ({polymerization initiator/(vinyl monomer+crosslinker)}×100) is, for example, in the range of about 0.01 to 5 mol%.
第2のモノリスの製造において、重合開始剤として、例えば2,2’-アゾビス(イソブチロニトリル)、2,2’-アゾビス(2,4-ジメチルバレロニトリル)、過酸化ベンゾイル、過酸化ラウロイル、過硫酸カリウム等を用いたときには、例えば、不活性雰囲気下の密封容器内において、例えば30~100℃で1~48時間、加熱重合させればよい。重合終了後、内容物を取り出し、未反応ビニルモノマーと有機溶媒の除去を目的に、例えば、アセトン等の溶剤で抽出して第2のモノリスを得ることができる。 When using, for example, 2,2'-azobis(isobutyronitrile), 2,2'-azobis(2,4-dimethylvaleronitrile), benzoyl peroxide, lauroyl peroxide, potassium persulfate, or the like as a polymerization initiator in the production of the second monolith, the polymerization can be carried out, for example, by heating in a sealed container under an inert atmosphere at 30 to 100°C for 1 to 48 hours. After the polymerization is completed, the contents are removed and extracted with a solvent such as acetone to remove unreacted vinyl monomer and organic solvent, to obtain the second monolith.
第2のモノリスの製造において、架橋剤を増やす、モノマー濃度を高くする、温度を高くする等の重合条件の調整により、平均粒子径1~50μmの有機ポリマー粒子を凝集させることができる。ビニルモノマーと架橋剤の合計量に対する架橋剤の使用量を特定量とすることにより、その骨格間に平均直径が20~100μmの三次元的に連続した空孔を形成させることができる。概ね有機溶媒、モノマーおよび架橋剤の合計使用量に対する有機溶媒使用量({有機溶媒/(有機溶媒+モノマー+架橋剤)}×100)が、例えば、30~80重量%の範囲、好適には40~70重量%の範囲のような条件で重合することにより、モノリスの全細孔容積を1~5mL/gとすることができる。 In the production of the second monolith, organic polymer particles with an average particle size of 1 to 50 μm can be aggregated by adjusting the polymerization conditions, such as increasing the amount of crosslinking agent, increasing the monomer concentration, and increasing the temperature. By using a specific amount of crosslinking agent relative to the total amount of vinyl monomer and crosslinking agent, three-dimensionally continuous pores with an average diameter of 20 to 100 μm can be formed between the skeletons. By polymerizing under conditions in which the amount of organic solvent used relative to the total amount of organic solvent, monomer, and crosslinking agent used ({organic solvent/(organic solvent + monomer + crosslinking agent)} x 100) is in the range of, for example, 30 to 80% by weight, preferably 40 to 70% by weight, the total pore volume of the monolith can be set to 1 to 5 mL/g.
第2のモノリスにカチオン交換基を導入する方法は、第1のモノリスにカチオン交換基を導入する方法と同様である。 The method for introducing cation exchange groups into the second monolith is the same as the method for introducing cation exchange groups into the first monolith.
(第3のモノリスカチオン交換体)
第3のモノリスカチオン交換体は、気泡状のマクロポア同士が重なり合い、この重なる部分が平均直径30~300μmの範囲の開口となる連続マクロポア構造体であり、全細孔容積は、0.5~10mL/gの範囲であり、乾燥状態での重量当りのカチオン交換容量は、1~5mg当量/gの範囲であり、カチオン交換基が有機多孔質カチオン交換体中に分布しており、かつ連続マクロポア構造体の切断面のSEM画像において、断面に表れる骨格部面積が、画像領域中25~50%の範囲であるモノリスカチオン交換体である。
(Third monolith cation exchanger)
The third monolith cation exchanger is a monolith cation exchanger having a continuous macropore structure in which bubble-like macropores overlap each other and the overlapping portions form openings with an average diameter in the range of 30 to 300 μm, a total pore volume in the range of 0.5 to 10 mL/g, a cation exchange capacity per weight in a dry state in the range of 1 to 5 mg equivalent/g, cation exchange groups distributed in the organic porous cation exchanger, and in an SEM image of a cut surface of the continuous macropore structure, the area of the framework portion appearing on the cross section is in the range of 25 to 50% of the image area.
第3のモノリスカチオン交換体は、図3に示すように、第1のモノリスカチオン交換体と同様に、連続マクロポア構造体である。第3のモノリスカチオン交換体およびその製造方法は、特開2009-062512号に開示されている。 As shown in FIG. 3, the third monolith cation exchanger has a continuous macropore structure, similar to the first monolith cation exchanger. The third monolith cation exchanger and its manufacturing method are disclosed in JP 2009-062512 A.
連続空孔は、マクロポア同士が重なり合う重複部分を有する。重複部分は乾燥状態で平均直径30~300μmの範囲であることが好ましく、30~200μmの範囲であることがより好ましく、40~100μmの範囲であることがさらに好ましい。この平均直径は、水銀圧入法により測定され、水銀圧入法により得られた細孔分布曲線の極大値を指す。乾燥状態での開口の平均直径が30μm未満または300μmを超えると、反応の際の被処理液とモノリスカチオン交換体との接触が不十分となり、カチオン交換性能が低下し、反応効率が低下してしまう。 The continuous pores have overlapping portions where macropores overlap each other. In the dry state, the overlapping portions preferably have an average diameter in the range of 30 to 300 μm, more preferably in the range of 30 to 200 μm, and even more preferably in the range of 40 to 100 μm. This average diameter is measured by mercury intrusion porosimetry and refers to the maximum value of the pore distribution curve obtained by mercury intrusion porosimetry. If the average diameter of the openings in the dry state is less than 30 μm or exceeds 300 μm, contact between the treated liquid and the monolith cation exchanger during the reaction will be insufficient, reducing the cation exchange performance and reaction efficiency.
第3のモノリスカチオン交換体では、乾燥状態での連続マクロポア構造体の切断面のSEM画像において、断面に表れる骨格部面積が、画像領域中、例えば、25~50%の範囲であり、好ましくは25~45%の範囲である。断面に表れる骨格部面積が、画像領域中、25%未満であると、細い骨格となり、機械的強度が低下して、操作上の簡便さが損なわれる場合がある。断面に表れる骨格部面積が、画像領域中、50%を超えると、骨格が太くなり過ぎ、反応の際の被処理液とモノリスカチオン交換体との接触が不十分となり、反応効率が低下してしまう場合がある。 In the third monolith cation exchanger, in an SEM image of a cut surface of the continuous macropore structure in a dry state, the area of the skeleton portion appearing on the cross section is, for example, in the range of 25 to 50% of the image area, and preferably in the range of 25 to 45%. If the area of the skeleton portion appearing on the cross section is less than 25% of the image area, the skeleton becomes thin, the mechanical strength decreases, and ease of operation may be impaired. If the area of the skeleton portion appearing on the cross section is more than 50% of the image area, the skeleton becomes too thick, and contact between the treated liquid and the monolith cation exchanger during the reaction may be insufficient, resulting in a decrease in reaction efficiency.
SEM画像を得るための条件は、切断面の断面に表れる骨格部が鮮明に表れる条件であればよく、例えば倍率100~600、写真領域が約150mm×100mmである。SEM観察は、主観を排除した第3のモノリスカチオン交換体の任意の切断面の任意の箇所で撮影された切断箇所や撮影箇所が異なる3枚以上の画像で行うのがよい。切断される第3のモノリスカチオン交換体は、乾燥状態のものである。SEM画像における切断面の骨格部を図3および図4を参照して説明する。図3および図4中、概ね不定形状でかつ断面で表れるものは「断面に表れる骨格部(符号12)」であり、図3に表れる円形の孔は開口(メソポア)であり、比較的大きな曲率や曲面のものはマクロポア(図4中の符号13)である。図4の断面に表れる骨格部面積は、矩形状画像領域11中、28%である。 The conditions for obtaining an SEM image may be such that the skeletal portion appearing on the cross section of the cut surface is clearly visible, for example, a magnification of 100 to 600 and a photographic area of about 150 mm x 100 mm. SEM observation is preferably performed using three or more images taken at different cut locations or photographed locations at any location on any cut surface of the third monolith cation exchanger, eliminating subjectivity. The third monolith cation exchanger to be cut is in a dry state. The skeletal portion of the cut surface in the SEM image will be explained with reference to Figures 3 and 4. In Figures 3 and 4, the part that is roughly irregular and appears on the cross section is the "skeletal portion appearing on the cross section (reference number 12)," the circular pores appearing in Figure 3 are openings (mesopores), and those with a relatively large curvature or curved surface are macropores (reference number 13 in Figure 4). The area of the skeletal portion appearing on the cross section of Figure 4 is 28% of the rectangular image area 11.
SEM画像において、切断面の断面に表れる骨格部の面積の測定方法としては、骨格部を公知のコンピューター処理等を行い特定した後、コンピューター等による自動計算または手動計算による算出方法が挙げられる。手動計算としては、不定形状物を、四角形、三角形、円形または台形等の集合物に置き換え、それらを積層して面積を求める方法が挙げられる。 In SEM images, methods for measuring the area of the skeleton appearing in the cross section of the cut surface include a method in which the skeleton is identified by known computer processing or the like, and then a calculation is performed automatically using a computer or the like, or a manual calculation is performed. An example of a manual calculation is a method in which irregular shapes are replaced with an aggregate of squares, triangles, circles, trapezoids, etc., and these are stacked to determine the area.
第3のモノリスカチオン交換体の乾燥状態での重量当りの全細孔容積は、好ましくは0.5~10mL/gの範囲であり、より好ましくは0.8~8mL/gの範囲である。全細孔容積が0.5mL/g未満であると、単位断面積当りの透過流体量が小さくなり、処理能力が低下してしまう場合がある。全細孔容積が10mL/gを超えると、機械的強度が低下して、操作上の簡便さが損なわれる場合がある。さらに、反応の際の被処理液とモノリスカチオン交換体との接触効率が低下する場合がある。 The total pore volume per weight of the third monolith cation exchanger in a dry state is preferably in the range of 0.5 to 10 mL/g, more preferably in the range of 0.8 to 8 mL/g. If the total pore volume is less than 0.5 mL/g, the amount of permeating fluid per unit cross-sectional area will be small, and the processing capacity may decrease. If the total pore volume exceeds 10 mL/g, the mechanical strength may decrease, and the ease of operation may be impaired. Furthermore, the contact efficiency between the treated liquid and the monolith cation exchanger during the reaction may decrease.
乾燥状態での重量当りのカチオン交換容量については、前述の通りである。また、「カチオン交換基が有機多孔質カチオン交換体中に分布している」ことについては、前述の通りである。 The cation exchange capacity per weight in a dry state is as described above. In addition, the fact that "cation exchange groups are distributed in the organic porous cation exchanger" is as described above.
(第3のモノリスカチオン交換体の製造方法)
第3のモノリスカチオン交換体は、例えば、次の方法によって製造することができる。
(Third method for producing monolithic cation exchanger)
The third monolithic cation exchanger can be produced, for example, by the following method.
例えば、まず、カチオン交換基を含まない油溶性モノマー、界面活性剤および水の混合物を撹拌することにより油中水滴型エマルジョンを調製する。次いで、以下のI工程、II工程、III工程を行うことにより、第3のモノリスを得ることができる。I工程では、油中水滴型エマルジョンを重合させて例えば全細孔容積が5~16mL/gの範囲の連続マクロポア構造のモノリス状の有機多孔質中間体(以下、モノリス中間体(3)とも記載する。)を得ることができる。II工程では、ビニルモノマー、一分子中に少なくとも2個以上のビニル基を有する架橋剤、ビニルモノマーや架橋剤は溶解するがビニルモノマーが重合して生成するポリマーは溶解しない有機溶媒および重合開始剤を含む混合物を調製する。III工程では、II工程で得られた混合物を静置下、かつI工程で得られたモノリス中間体(3)の存在下に重合を行い、モノリス中間体(3)の骨格より太い骨格を有する第3のモノリスを得ることができる。 For example, first, a water-in-oil emulsion is prepared by stirring a mixture of an oil-soluble monomer not containing a cation exchange group, a surfactant, and water. Next, the third monolith can be obtained by carrying out the following steps I, II, and III. In step I, the water-in-oil emulsion is polymerized to obtain a monolithic organic porous intermediate (hereinafter also referred to as monolith intermediate (3)) having a continuous macropore structure with a total pore volume in the range of 5 to 16 mL/g. In step II, a mixture is prepared containing a vinyl monomer, a crosslinking agent having at least two or more vinyl groups in one molecule, an organic solvent that dissolves the vinyl monomer and the crosslinking agent but not the polymer produced by polymerization of the vinyl monomer, and a polymerization initiator. In step III, the mixture obtained in step II is left to stand and polymerized in the presence of the monolith intermediate (3) obtained in step I to obtain a third monolith having a skeleton thicker than that of the monolith intermediate (3).
I工程は、第1のモノリスカチオン交換体の製造方法と同様である。 Step I is the same as the manufacturing method of the first monolith cation exchanger.
I工程で得られるモノリス中間体(3)は、連続マクロポア構造を有する。これを重合系に共存させると、モノリス中間体(3)の構造を型として骨太の骨格を有する多孔構造を形成することができる。ポリマー材料の架橋密度は、モノリス中間体(3)のポリマー材料を構成する全構成単位に対して、例えば0.3~10モル%の範囲、好ましくは0.3~5モル%の範囲の架橋構造単位を含んでいることが好ましい。 The monolith intermediate (3) obtained in step I has a continuous macropore structure. When this is present in a polymerization system, a porous structure with a sturdy skeleton can be formed using the structure of the monolith intermediate (3) as a model. The crosslink density of the polymer material is preferably in the range of, for example, 0.3 to 10 mol %, and preferably 0.3 to 5 mol %, of crosslinked structural units relative to the total structural units constituting the polymer material of the monolith intermediate (3).
I工程で得られるモノリス中間体(3)の乾燥状態での重量当りの全細孔容積は、例えば5~16mL/gの範囲、好適には6~16mL/gの範囲である。モノリス中間体(3)の全細孔容積を上記数値範囲とするには、モノマーと水の比を、例えば、概ね1:5~1:20の範囲とすればよい。 The total pore volume per weight of the monolith intermediate (3) obtained in step I in a dry state is, for example, in the range of 5 to 16 mL/g, preferably in the range of 6 to 16 mL/g. In order to bring the total pore volume of the monolith intermediate (3) into the above numerical range, the ratio of monomer to water may be, for example, in the range of approximately 1:5 to 1:20.
I工程で得られるモノリス中間体(3)は、マクロポアとマクロポアの重なり部分である開口(メソポア)の平均直径が乾燥状態で例えば20~200μmの範囲である。 The monolith intermediate (3) obtained in step I has an average diameter of the openings (mesopores) where the macropores overlap, in the dry state, for example, in the range of 20 to 200 μm.
II工程は、ビニルモノマー、一分子中に少なくとも2個以上のビニル基を有する架橋剤、ビニルモノマーや架橋剤は溶解するがビニルモノマーが重合して生成するポリマーは溶解しない有機溶媒および重合開始剤を含む混合物を調製する工程である。なお、I工程とII工程の順序はどちらを先に行ってもよい。 Step II is a step of preparing a mixture containing a vinyl monomer, a crosslinking agent having at least two vinyl groups in one molecule, an organic solvent that dissolves the vinyl monomer and the crosslinking agent but not the polymer produced by polymerization of the vinyl monomer, and a polymerization initiator. Note that the order of steps I and II may be any.
II工程で用いられるビニルモノマーとしては、分子中に重合可能なビニル基を含有し、有機溶媒に対する溶解性が高い親油性のビニルモノマーであればよく、上記重合系に共存させるモノリス中間体(3)と同種類または類似のポリマー材料を生成するビニルモノマーを選定することが好ましい。これらビニルモノマーの具体例としては、第1のモノリスの製造で用いられるビニルモノマーと同様である。 The vinyl monomer used in step II may be any lipophilic vinyl monomer that contains a polymerizable vinyl group in the molecule and has high solubility in organic solvents, and it is preferable to select a vinyl monomer that produces the same or similar polymer material as the monolith intermediate (3) that is coexistent in the polymerization system. Specific examples of these vinyl monomers are the same as the vinyl monomers used in the production of the first monolith.
II工程で用いられるビニルモノマーの添加量は、重合のときに共存させるモノリス中間体(3)に対して、重量で例えば3~50倍の範囲、好ましくは4~40倍の範囲である。 The amount of vinyl monomer used in step II is, for example, 3 to 50 times, and preferably 4 to 40 times, by weight relative to the monolith intermediate (3) that is allowed to coexist during polymerization.
II工程で用いられる架橋剤は、第2のモノリスの製造に用いられる架橋剤と同様である。 The cross-linking agent used in step II is the same as the cross-linking agent used in the production of the second monolith.
II工程で用いられる有機溶媒は、第2のモノリスの製造に用いられる有機溶媒と同様である。これら有機溶媒の使用量は、上記ビニルモノマーの濃度が例えば30~80重量%となるように用いることが好ましい。 The organic solvent used in step II is the same as the organic solvent used in the production of the second monolith. It is preferable to use the organic solvent in such an amount that the concentration of the vinyl monomer is, for example, 30 to 80% by weight.
II工程で用いられる重合開始剤は、第2のモノリスの製造に用いられる重合開始剤と同様である。 The polymerization initiator used in step II is the same as the polymerization initiator used in the production of the second monolith.
III工程では、例えば、II工程で得られた混合物を静置下、かつI工程で得られたモノリス中間体(3)の存在下に重合を行い、そのモノリス中間体(3)の骨格より太い骨格を有する第3のモノリスを得ることができる。上記重合系に連続マクロポア構造のモノリス中間体(3)を存在させると、第3のモノリスを得ることができる。 In step III, for example, the mixture obtained in step II is left to stand and polymerized in the presence of the monolith intermediate (3) obtained in step I, to obtain a third monolith having a skeleton thicker than that of the monolith intermediate (3). When the monolith intermediate (3) having a continuous macropore structure is present in the above polymerization system, the third monolith can be obtained.
III工程において、例えば、反応容器中、モノリス中間体(3)は混合物(溶液)で含浸された状態に置かれる。II工程で得られた混合物とモノリス中間体(3)の配合比は、例えば、モノリス中間体(3)に対して、ビニルモノマーの添加量が重量で3~50倍の範囲、好ましくは4~40倍の範囲となるように配合すればよい。反応容器中、混合物中のビニルモノマーと架橋剤は、静置されたモノリス中間体の骨格に吸着、分配され、モノリス中間体(3)の骨格内で重合が進行する。 In step III, for example, the monolith intermediate (3) is placed in a reaction vessel in a state where it is impregnated with the mixture (solution). The mixture obtained in step II and the monolith intermediate (3) may be mixed in a ratio, for example, such that the amount of vinyl monomer added is in the range of 3 to 50 times, preferably 4 to 40 times, by weight, relative to the monolith intermediate (3). In the reaction vessel, the vinyl monomer and crosslinking agent in the mixture are adsorbed and distributed to the skeleton of the stationary monolith intermediate, and polymerization proceeds within the skeleton of the monolith intermediate (3).
III工程において、重合条件は、モノマーの種類、重合開始剤の種類等により様々な条件が選択される。例えば、重合開始剤として2,2’-アゾビス(イソブチロニトリル)、2,2’-アゾビス(2,4-ジメチルバレロニトリル)、過酸化ベンゾイル、過酸化ラウロイル、過硫酸カリウム等を用いたときには、例えば、不活性雰囲気下の密封容器内において、例えば30~100℃で1~48時間加熱重合させればよい。加熱重合により、モノリス中間体(3)の骨格に吸着、分配したビニルモノマーと架橋剤が骨格内で重合し、骨格を太らせることができる。重合終了後、内容物を取り出し、未反応ビニルモノマーと有機溶媒の除去を目的に、例えば、アセトン等の溶剤で抽出して第3のモノリスを得ることができる。 In step III, various polymerization conditions are selected depending on the type of monomer, the type of polymerization initiator, etc. For example, when 2,2'-azobis(isobutyronitrile), 2,2'-azobis(2,4-dimethylvaleronitrile), benzoyl peroxide, lauroyl peroxide, potassium persulfate, etc. are used as the polymerization initiator, the polymerization may be carried out, for example, at 30 to 100°C for 1 to 48 hours in a sealed container under an inert atmosphere. By the thermal polymerization, the vinyl monomer and crosslinking agent adsorbed and distributed to the skeleton of the monolith intermediate (3) are polymerized within the skeleton, making the skeleton thicker. After the polymerization is completed, the contents are removed, and the third monolith can be obtained by extraction with a solvent such as acetone to remove the unreacted vinyl monomer and organic solvent.
第3のモノリスカチオン交換体は、例えば、III工程で得られた第3のモノリスにカチオン交換基を導入するIV工程を行うことにより得ることができる。第3のモノリスにカチオン交換基を導入する方法は、第1のモノリスにカチオン交換基を導入する方法と同様である。 The third monolith cation exchanger can be obtained, for example, by carrying out step IV in which a cation exchange group is introduced into the third monolith obtained in step III. The method for introducing a cation exchange group into the third monolith is the same as the method for introducing a cation exchange group into the first monolith.
(第4のモノリスカチオン交換体)
第4のモノリスカチオン交換体は、カチオン交換基が導入された全構成単位中、架橋構造単位を0.1~5.0モル%の範囲で含有する芳香族ビニルポリマーから構成される連続骨格の厚みが1~60μmの範囲の三次元的に連続した骨格と、その骨格間に平均直径が10~200μmの範囲の三次元的に連続した空孔とからなる共連続構造体であって、全細孔容積は、0.5~10mL/gの範囲であり、乾燥状態での重量当りのカチオン交換容量は、1~5mg当量/gの範囲であり、カチオン交換基が有機多孔質カチオン交換体中に分布しているモノリスカチオン交換体である。
(Fourth monolith cation exchanger)
The fourth monolith cation exchanger is a bicontinuous structure consisting of a three-dimensionally continuous skeleton having a thickness in the range of 1 to 60 μm and composed of an aromatic vinyl polymer containing crosslinked structural units in the range of 0.1 to 5.0 mol % of all structural units into which cation exchange groups have been introduced, and three-dimensionally continuous pores having an average diameter in the range of 10 to 200 μm between the skeletons, the total pore volume being in the range of 0.5 to 10 mL/g, and the cation exchange capacity per weight in a dry state being in the range of 1 to 5 mg equivalent/g, and the cation exchange groups being distributed in the organic porous cation exchanger.
第4のモノリスカチオン交換体は、図5および図6に示すように、連続した骨格相1(連続骨格)および連続した空孔相2(連続空孔)を有し、それらが絡み合ってそれぞれ共に3次元的に連続する共連続構造体10である。空孔相2は、上記の第1、第2のモノリスに比べて、その連続性が高く、その大きさに偏りがほとんどない。第4のモノリスカチオン交換体は、その骨格が太いため機械的強度が高いと考えられる。第4のモノリスカチオン交換体およびその製造方法は、特開2009-067982号に開示されている。 As shown in Figures 5 and 6, the fourth monolith cation exchanger has a continuous skeleton phase 1 (continuous skeleton) and a continuous pore phase 2 (continuous pores), which are intertwined to form a bicontinuous structure 10 that is three-dimensionally continuous. Compared to the first and second monoliths described above, the pore phase 2 is highly continuous and has almost no deviation in size. The fourth monolith cation exchanger is considered to have high mechanical strength because of its thick skeleton. The fourth monolith cation exchanger and its manufacturing method are disclosed in JP 2009-067982 A.
連続骨格は、カチオン交換基が導入された全構成単位中、架橋構造単位を0.1~5.0モル%の範囲で含有するビニルポリマー(芳香族ビニルポリマー等)から構成され、かつ連続骨格の厚みが乾燥状態で例えば1~60μmの範囲、好ましくは3~58μmの範囲で三次元的に連続する。架橋構造単位が0.1モル%未満であると、機械的強度が不足する場合があり、5.0モル%を超えると、多孔質体の構造が共連続構造から逸脱しやすくなる場合がある。この連続骨格の厚みが乾燥状態で1μm未満または60μmを超えると、反応の際の被処理液とモノリスカチオン交換体との接触が不十分となり、カチオン交換性能が低下し、反応効率が低下してしまう場合がある。 The continuous skeleton is composed of a vinyl polymer (such as an aromatic vinyl polymer) containing 0.1 to 5.0 mol% of crosslinked structural units among all structural units into which cation exchange groups have been introduced, and the thickness of the continuous skeleton is three-dimensionally continuous, for example, in the range of 1 to 60 μm, preferably in the range of 3 to 58 μm, in a dry state. If the crosslinked structural units are less than 0.1 mol%, the mechanical strength may be insufficient, and if they exceed 5.0 mol%, the structure of the porous body may easily deviate from the co-continuous structure. If the thickness of this continuous skeleton is less than 1 μm or more than 60 μm in a dry state, the contact between the treated liquid and the monolithic cation exchanger during the reaction may be insufficient, resulting in a decrease in cation exchange performance and a decrease in reaction efficiency.
連続空孔は、連続骨格間に乾燥状態で例えば平均直径10~200μmの範囲、好ましくは15~180μmの範囲で三次元的に連続している。この連続空孔の平均直径が乾燥状態で10μm未満または200μmを超えると、反応の際の被処理液とモノリスカチオン交換体との接触が不十分となり、カチオン交換性能が低下し、反応効率が低下してしまう。 The continuous pores are three-dimensionally continuous between the continuous skeletons, with an average diameter in the range of 10 to 200 μm, preferably 15 to 180 μm, in a dry state. If the average diameter of these continuous pores is less than 10 μm or exceeds 200 μm in a dry state, contact between the treated liquid and the monolith cation exchanger during the reaction will be insufficient, resulting in reduced cation exchange performance and reduced reaction efficiency.
前述の平均直径は、水銀圧入法により測定され、水銀圧入法により得られた細孔分布曲線の極大値を指す。連続骨格の乾燥状態での厚みは、乾燥状態の第4のモノリスカチオン交換体のSEM観察により求められる。具体的には、乾燥状態の第4のモノリスカチオン交換体のSEM観察を少なくとも3回行い、得られた画像中の骨格の厚みを測定し、それらの平均値を連続骨格の厚みとする。なお、骨格は棒状であり円形断面形状であるが、楕円断面形状等異径断面のものが含まれていてもよい。この場合の厚みは短径と長径の平均である。 The aforementioned average diameter is measured by mercury intrusion porosimetry and refers to the maximum value of the pore distribution curve obtained by mercury intrusion porosimetry. The thickness of the continuous skeleton in a dry state is determined by SEM observation of the fourth monolith cation exchanger in a dry state. Specifically, SEM observation of the fourth monolith cation exchanger in a dry state is performed at least three times, the thickness of the skeleton in the obtained image is measured, and the average value of these is taken as the thickness of the continuous skeleton. Note that the skeleton is rod-shaped and has a circular cross-sectional shape, but may also include ones with different cross-sections such as elliptical cross-sectional shapes. In this case, the thickness is the average of the minor axis and major axis.
第4のモノリスカチオン交換体の乾燥状態での重量当りの全細孔容積は、例えば、0.5~10mL/gの範囲である。全細孔容積が0.5mL/g未満であると、単位断面積当りの透過流体量が小さくなり、処理能力が低下してしまう場合がある。全細孔容積が10mL/gを超えると、機械的強度が低下して、操作上の簡便さが損なわれる場合がある。さらに、反応の際の被処理液とモノリスカチオン交換体との接触効率が低下する場合がある。 The total pore volume per weight of the fourth monolith cation exchanger in a dry state is, for example, in the range of 0.5 to 10 mL/g. If the total pore volume is less than 0.5 mL/g, the amount of permeating fluid per unit cross-sectional area will be small, and the processing capacity may decrease. If the total pore volume exceeds 10 mL/g, the mechanical strength may decrease, and ease of operation may be impaired. Furthermore, the contact efficiency between the treated liquid and the monolith cation exchanger during the reaction may decrease.
連続骨格を構成するビニルポリマー(芳香族ビニルポリマー)は、例えば、ポリスチレン、ポリ(α-メチルスチレン)、ポリビニルベンジルクロライド等が挙げられる。上記ポリマーは、単独のビニルモノマーと架橋剤を共重合させて得られるポリマーでも、複数のビニルモノマーと架橋剤を重合させて得られるポリマーであってもよく、また、二種類以上のポリマーがブレンドされたものであってもよい。これら有機ポリマー材料の中で、共連続構造形成の容易さ、カチオン交換基導入の容易性と機械的強度の高さ、および酸またはアルカリに対する安定性の高さ等から、スチレン-ジビニルベンゼン系共重合体やビニルベンジルクロライド-ジビニルベンゼン系共重合体が好ましい。 Examples of vinyl polymers (aromatic vinyl polymers) that constitute the continuous backbone include polystyrene, poly(α-methylstyrene), polyvinylbenzyl chloride, and the like. The above polymers may be polymers obtained by copolymerizing a single vinyl monomer and a crosslinking agent, or polymers obtained by polymerizing multiple vinyl monomers and a crosslinking agent, or may be blends of two or more types of polymers. Among these organic polymer materials, styrene-divinylbenzene copolymers and vinylbenzyl chloride-divinylbenzene copolymers are preferred because of the ease of forming a co-continuous structure, the ease of introducing cation exchange groups, high mechanical strength, and high stability against acids or alkalis.
乾燥状態での重量当りのカチオン交換容量については、前述の通りである。また、「カチオン交換基が有機多孔質カチオン交換体中に分布している」ことについては、前述の通りである。 The cation exchange capacity per weight in a dry state is as described above. In addition, the fact that "cation exchange groups are distributed in the organic porous cation exchanger" is as described above.
(第4のモノリスカチオン交換体の製造方法)
第4のモノリスカチオン交換体は、例えば、次の方法によって製造することができる。
(Fourth method for producing monolithic cation exchanger)
The fourth monolithic cation exchanger can be produced, for example, by the following method.
例えば、第4のモノリスは、油中水滴型エマルジョンを調整した後、以下のI~III工程を行うことによって得ることができる。I工程では、例えば、油中水滴型エマルジョンを重合させて全細孔容積が例えば16mL/gを超え、30mL/g以下の連続マクロポア構造のモノリス状の有機多孔質中間体(以下、モノリス中間体(4))を得ることができる。II工程では、例えば、芳香族ビニルモノマー、一分子中に少なくとも2個以上のビニル基を有する全油溶性モノマー中、例えば0.3~5モル%の範囲の架橋剤、芳香族ビニルモノマーや架橋剤は溶解するが芳香族ビニルモノマーが重合して生成するポリマーは溶解しない有機溶媒および重合開始剤を含む混合物を調製する。III工程は、例えば、II工程で得られた混合物を静置下、かつI工程で得られたモノリス中間体(4)の存在下に重合を行い、第4のモノリスを得ることができる。 For example, the fourth monolith can be obtained by preparing a water-in-oil emulsion and then carrying out the following steps I to III. In step I, for example, the water-in-oil emulsion can be polymerized to obtain a monolithic organic porous intermediate (hereinafter, monolith intermediate (4)) having a continuous macropore structure with a total pore volume of, for example, more than 16 mL/g and 30 mL/g or less. In step II, for example, a mixture is prepared containing an aromatic vinyl monomer, a crosslinking agent in the range of, for example, 0.3 to 5 mol % of the total oil-soluble monomer having at least two or more vinyl groups in one molecule, an organic solvent that dissolves the aromatic vinyl monomer and the crosslinking agent but not the polymer produced by polymerization of the aromatic vinyl monomer, and a polymerization initiator. In step III, for example, the mixture obtained in step II is left to stand and polymerized in the presence of the monolith intermediate (4) obtained in step I to obtain the fourth monolith.
第4のモノリスの製造方法におけるI工程は、第1のモノリスカチオン交換体の製造方法と同様である。 Step I in the fourth monolith manufacturing method is the same as the first monolith cation exchanger manufacturing method.
I工程で得られるモノリス中間体(4)は、例えば、架橋構造を有する有機ポリマー材料、好適には芳香族ビニルポリマーである。このポリマー材料の架橋密度は、ポリマー材料を構成する全構成単位に対して、例えば、0.1~5モル%の範囲、好ましくは0.3~3モル%の範囲の架橋構造単位を含んでいる。 The monolith intermediate (4) obtained in step I is, for example, an organic polymer material having a crosslinked structure, preferably an aromatic vinyl polymer. The crosslink density of this polymer material is, for example, in the range of 0.1 to 5 mol %, preferably 0.3 to 3 mol %, of crosslinked structural units relative to the total structural units constituting the polymer material.
モノリス中間体(4)のポリマー材料の種類は、第3のモノリスの製造方法におけるモノリス中間体(3)のポリマー材料の種類と同様である。 The type of polymer material of the monolith intermediate (4) is the same as the type of polymer material of the monolith intermediate (3) in the third monolith manufacturing method.
I工程で得られるモノリス中間体(4)の乾燥状態での重量当りの全細孔容積は、例えば、16mL/gを超え、30mL/g以下、好適には16mL/gを超え、25mL/g以下である。図7に示すように、モノリス中間体(4)は、棒状に近い骨格を有している。これを重合系に共存させると、モノリス中間体(4)の構造を型として共連続構造の多孔質体を形成することができる。 The total pore volume per weight of the monolith intermediate (4) obtained in step I in a dry state is, for example, more than 16 mL/g and not more than 30 mL/g, preferably more than 16 mL/g and not more than 25 mL/g. As shown in FIG. 7, the monolith intermediate (4) has a skeleton that is close to a rod shape. When this is allowed to coexist in a polymerization system, a porous body with a cocontinuous structure can be formed using the structure of the monolith intermediate (4) as a mold.
I工程で得られるモノリス中間体(4)は、マクロポアとマクロポアの重なり部分である開口(メソポア)の平均直径が乾燥状態で例えば5~100μmの範囲である。 The monolith intermediate (4) obtained in step I has an average diameter of the openings (mesopores) where the macropores overlap, in the dry state, for example, in the range of 5 to 100 μm.
第4のモノリスの製造方法におけるII工程は、例えば、芳香族ビニルモノマー、一分子中に少なくとも2個以上のビニル基を有する全油溶性モノマー中、例えば0.3~5モル%の範囲の架橋剤、芳香族ビニルモノマーや架橋剤は溶解するが芳香族ビニルモノマーが重合して生成するポリマーは溶解しない有機溶媒および重合開始剤を含む混合物を調製する工程である。なお、I工程とII工程の順序はどちらを先に行ってもよい。 Step II in the fourth monolith manufacturing method is a step of preparing a mixture containing, for example, an aromatic vinyl monomer, a crosslinking agent in the range of, for example, 0.3 to 5 mol % of all oil-soluble monomers having at least two or more vinyl groups in one molecule, an organic solvent that dissolves the aromatic vinyl monomer and the crosslinking agent but not the polymer produced by polymerization of the aromatic vinyl monomer, and a polymerization initiator. Note that the order of steps I and II may be any.
II工程で用いられる芳香族ビニルモノマーとしては、分子中に重合可能なビニル基を含有し、有機溶媒に対する溶解性が高い親油性の芳香族ビニルモノマーであれば、特に制限はないが、上記重合系に共存させるモノリス中間体(4)と同種類もしくは類似のポリマー材料を生成するビニルモノマーを選定することが好ましい。これらビニルモノマーの具体例としては、スチレン、α-メチルスチレン、ビニルトルエン、ビニルベンジルクロライド、ビニルビフェニル、ビニルナフタレン等が挙げられる。これらモノマーは、一種単独または二種以上を組み合わせて使用することができる。好適に用いられる芳香族ビニルモノマーは、スチレン、ビニルベンジルクロライド等である。 The aromatic vinyl monomer used in step II is not particularly limited as long as it is an aromatic vinyl monomer that contains a polymerizable vinyl group in the molecule and is lipophilic and highly soluble in an organic solvent, but it is preferable to select a vinyl monomer that produces the same or similar polymer material as the monolith intermediate (4) that is coexisted in the polymerization system. Specific examples of these vinyl monomers include styrene, α-methylstyrene, vinyltoluene, vinylbenzyl chloride, vinylbiphenyl, vinylnaphthalene, etc. These monomers can be used alone or in combination of two or more. The aromatic vinyl monomers that are preferably used are styrene, vinylbenzyl chloride, etc.
II工程で用いられる芳香族ビニルモノマーの添加量は、重合時に共存させるモノリス中間体(4)に対して、例えば、重量で5~50倍の範囲、好ましくは5~40倍の範囲である。 The amount of aromatic vinyl monomer used in step II is, for example, in the range of 5 to 50 times, and preferably in the range of 5 to 40 times, by weight, the amount of monolith intermediate (4) that is allowed to coexist during polymerization.
II工程で用いられる架橋剤は、分子中に少なくとも2個の重合可能なビニル基を含有し、有機溶媒への溶解性が高いものが好ましい。架橋剤は、例えば、ジビニルベンゼン、ジビニルナフタレン、ジビニルビフェニル、エチレングリコールジメタクリレート、トリメチロールプロパントリアクリレート、ブタンジオールジアクリレート等である。これら架橋剤は、一種単独または二種以上を組み合わせて使用することができる。架橋剤使用量は、ビニルモノマーと架橋剤の合計量(全油溶性モノマー)に対して例えば0.3~5モル%の範囲であり、特に0.3~3モル%の範囲である。なお、上記架橋剤使用量は、ビニルモノマー/架橋剤重合のときに共存させるモノリス中間体(4)の架橋密度とほぼ等しくなるように用いることが好ましい。両者の使用量があまりに大きくかけ離れると、生成したモノリス中で架橋密度分布の偏りが生じ、またカチオン交換基を導入する場合、カチオン交換基導入反応時にクラックが生じやすくなる場合がある。 The crosslinking agent used in step II preferably contains at least two polymerizable vinyl groups in the molecule and is highly soluble in an organic solvent. Examples of crosslinking agents include divinylbenzene, divinylnaphthalene, divinylbiphenyl, ethylene glycol dimethacrylate, trimethylolpropane triacrylate, butanediol diacrylate, etc. These crosslinking agents can be used alone or in combination of two or more. The amount of crosslinking agent used is, for example, in the range of 0.3 to 5 mol% relative to the total amount of vinyl monomer and crosslinking agent (total oil-soluble monomer), and particularly in the range of 0.3 to 3 mol%. It is preferable to use the crosslinking agent in an amount that is approximately equal to the crosslink density of the monolith intermediate (4) that is coexistent during the vinyl monomer/crosslinking agent polymerization. If the amounts of the two are too far apart, the crosslink density distribution in the produced monolith will be biased, and when a cation exchange group is introduced, cracks may be more likely to occur during the cation exchange group introduction reaction.
II工程で用いられる有機溶媒は、例えば、芳香族ビニルモノマーや架橋剤は溶解するが芳香族ビニルモノマーが重合して生成するポリマーは溶解しない有機溶媒、言い換えると、芳香族ビニルモノマーが重合して生成するポリマーに対する貧溶媒である。有機溶媒は、例えば、芳香族ビニルモノマーがスチレンの場合、メタノール、ブタノール、オクタノール等のアルコール類;ジエチルエーテル、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール等の鎖状(ポリ)エーテル類;ヘキサン、ヘプタン、オクタン等の鎖状飽和炭化水素類;酢酸エチル、酢酸イソプロピル、プロピオン酸エチル等のエステル類である。また、ジオキサンやTHF、トルエンのようにポリスチレンの良溶媒であっても、上記貧溶媒と共に用いられ、その使用量が少ない場合には、有機溶媒として使用することができる。これら有機溶媒の使用量は、上記芳香族ビニルモノマーの濃度が例えば30~80重量%となるように用いることができる。有機溶媒使用量が上記範囲から逸脱して芳香族ビニルモノマー濃度が30重量%未満となると、重合速度が低下したり、重合後のモノリス構造が第4のモノリスの範囲から逸脱してしまう場合がある。一方、芳香族ビニルモノマー濃度が80重量%を超えると、重合が進みすぎる場合がある。 The organic solvent used in the II step is, for example, an organic solvent in which the aromatic vinyl monomer and the crosslinking agent dissolve but not the polymer produced by polymerization of the aromatic vinyl monomer, in other words, a poor solvent for the polymer produced by polymerization of the aromatic vinyl monomer. For example, when the aromatic vinyl monomer is styrene, the organic solvent is alcohols such as methanol, butanol, octanol, etc.; chain (poly)ethers such as diethyl ether, polyethylene glycol, polypropylene glycol, etc.; chain saturated hydrocarbons such as hexane, heptane, octane, etc.; esters such as ethyl acetate, isopropyl acetate, ethyl propionate, etc. In addition, even if it is a good solvent for polystyrene such as dioxane, THF, or toluene, it can be used as an organic solvent when it is used together with the poor solvent and the amount used is small. The amount of these organic solvents used can be such that the concentration of the aromatic vinyl monomer is, for example, 30 to 80% by weight. If the amount of organic solvent used deviates from the above range and the aromatic vinyl monomer concentration is less than 30% by weight, the polymerization rate may decrease or the monolith structure after polymerization may deviate from the range of the fourth monolith. On the other hand, if the aromatic vinyl monomer concentration exceeds 80% by weight, polymerization may proceed too far.
第4のモノリスの製造方法におけるII工程で用いられる重合開始剤は、第3のモノリスの製造方法におけるII工程で用いる重合開始剤と同様である。 The polymerization initiator used in step II in the fourth monolith manufacturing method is the same as the polymerization initiator used in step II in the third monolith manufacturing method.
第4のモノリスの製造方法におけるIII工程は、例えば、II工程で得られた混合物を静置下、かつI工程で得られたモノリス中間体(4)の存在下に重合を行い、モノリス中間体(4)の連続マクロポア構造を共連続構造に変化させ、共連続構造モノリスである第4のモノリスを得る工程である。 Step III in the fourth monolith manufacturing method is, for example, a step in which the mixture obtained in step II is left to stand and polymerized in the presence of the monolith intermediate (4) obtained in step I, to change the continuous macropore structure of the monolith intermediate (4) to a co-continuous structure, thereby obtaining a fourth monolith that is a co-continuous structure monolith.
III工程において、例えば、反応容器中、モノリス中間体(4)は混合物(溶液)で含浸された状態に置かれる。II工程で得られた混合物とモノリス中間体(4)の配合比は、前述の通り、モノリス中間体(4)に対して、芳香族ビニルモノマーの添加量が重量で例えば5~50倍の範囲、好ましくは5~40倍の範囲となるように配合すればよい。これにより、適度な大きさの空孔が三次元的に連続し、かつ骨太の骨格が3次元的に連続する共連続構造の第4のモノリスを得ることができる。反応容器中、混合物中の芳香族ビニルモノマーと架橋剤は、静置されたモノリス中間体(4)の骨格に吸着、分配され、モノリス中間体(4)の骨格内で重合が進行する。 In step III, for example, the monolith intermediate (4) is placed in a reaction vessel in a state of being impregnated with the mixture (solution). As described above, the mixture obtained in step II and the monolith intermediate (4) may be mixed in such a ratio that the amount of aromatic vinyl monomer added is, for example, in the range of 5 to 50 times, preferably in the range of 5 to 40 times, by weight, relative to the monolith intermediate (4). This makes it possible to obtain a fourth monolith with a bicontinuous structure in which pores of appropriate size are three-dimensionally continuous and a thick skeleton is three-dimensionally continuous. In the reaction vessel, the aromatic vinyl monomer and crosslinking agent in the mixture are adsorbed and distributed to the skeleton of the stationary monolith intermediate (4), and polymerization proceeds within the skeleton of the monolith intermediate (4).
第4のモノリスの製造方法におけるIII工程の重合条件は、第3のモノリスの製造方法におけるIII工程の重合条件の説明と同様である。第4のモノリスカチオン交換体は、III工程で得られた第4のモノリスにカチオン交換基を導入するIV工程を行うことにより得ることができる。第4のモノリスにカチオン交換基を導入する方法は、第1のモノリスにカチオン交換基を導入する方法と同様である。 The polymerization conditions for step III in the fourth monolith manufacturing method are the same as those described for step III in the third monolith manufacturing method. The fourth monolith cation exchanger can be obtained by carrying out step IV to introduce a cation exchange group into the fourth monolith obtained in step III. The method for introducing a cation exchange group into the fourth monolith is the same as the method for introducing a cation exchange group into the first monolith.
(第5のモノリスカチオン交換体)
第5のモノリスカチオン交換体は、連続骨格相と連続空孔相からなり、骨格は、表面に固着する直径4~40μmの範囲の複数の粒子体または有機多孔質体の骨格表面上に形成される大きさが4~40μmの範囲の複数の突起体を有し、連続空孔の平均直径は、10~200μmの範囲であり、全細孔容積は、0.5~10mL/gの範囲であり、乾燥状態での重量当りのカチオン交換容量は、1~5mg当量/gの範囲であり、カチオン交換基が有機多孔質カチオン交換体中に分布しているモノリスカチオン交換体である。
(Fifth monolithic cation exchanger)
The fifth monolith cation exchanger is a monolith cation exchanger which comprises a continuous framework phase and a continuous pore phase, the framework having a plurality of particulate bodies with diameters in the range of 4 to 40 μm fixed to the surface or a plurality of protrusions with sizes in the range of 4 to 40 μm formed on the framework surface of the organic porous body, the average diameter of the continuous pores being in the range of 10 to 200 μm, the total pore volume being in the range of 0.5 to 10 mL/g, the cation exchange capacity per weight in a dry state being in the range of 1 to 5 mg equivalent/g, and the cation exchange groups being distributed in the organic porous cation exchanger.
第5のモノリスカチオン交換体は、連続骨格相と連続空孔相をもつ有機多孔質体を有し、さらに複数の粒子体または複数の突起体を有する複合構造体であり、多数の粒子体または多数の突起体を有する複合構造体である。第5のモノリスカチオン交換体およびその製造方法は、特開2009-108294号に開示されている。 The fifth monolith cation exchanger is a composite structure having an organic porous body with a continuous skeletal phase and a continuous pore phase, and further having a plurality of particle bodies or a plurality of protrusions, and is a composite structure having a large number of particle bodies or a large number of protrusions. The fifth monolith cation exchanger and a method for producing it are disclosed in JP 2009-108294 A.
複数の粒子体は、有機多孔質体の骨格表面に固着し、その直径は例えば4~40μmの範囲である。複数の突起体は、有機多孔質体の骨格表面上に形成され、その大きさは乾燥状態で例えば4~40μmの範囲である。粒子体の直径、または突起体の大きさは、好ましくは4~30μmの範囲であり、より好ましくは4~20μmの範囲である。なお、本明細書中、「粒子体」および「突起体」を併せて「粒子体等」と記載する。 The multiple particulate bodies are fixed to the skeletal surface of the organic porous body, and their diameters are, for example, in the range of 4 to 40 μm. The multiple protrusions are formed on the skeletal surface of the organic porous body, and their size in a dry state is, for example, in the range of 4 to 40 μm. The diameter of the particulate bodies or the size of the protrusions is preferably in the range of 4 to 30 μm, and more preferably in the range of 4 to 20 μm. In this specification, "particulate bodies" and "protrusions" are collectively referred to as "particulate bodies, etc.".
連続空孔の乾燥状態での平均直径は、好ましくは10~200μmの範囲である。 The average diameter of the interconnected pores in a dry state is preferably in the range of 10 to 200 μm.
第5のモノリスカチオン交換体の連続骨格相と連続空孔相は、SEM画像により観察される。第5のモノリスカチオン交換体の基本構造としては、連続マクロポア構造および共連続構造が挙げられる。第5のモノリスカチオン交換体の骨格相は、柱状の連続体、凹状の壁面の連続体あるいはこれらの複合体として表れるもので、粒子状や突起状とは明らかに相違する形状のものである。 The continuous skeletal phase and continuous pore phase of the fifth monolith cation exchanger are observed in SEM images. The basic structure of the fifth monolith cation exchanger includes a continuous macropore structure and a co-continuous structure. The skeletal phase of the fifth monolith cation exchanger appears as a continuous columnar structure, a continuous concave wall structure, or a composite of these, and has a shape that is clearly different from particulate or protruding shapes.
第5のモノリスカチオン交換体には、第5-1のモノリスカチオン交換体、または第5-2のモノリスカチオン交換体がある。第5-1のモノリスカチオン交換体は、気泡状のマクロポア同士が重なり合い、この重なる部分が乾燥状態で例えば平均直径10~120μmの範囲の開口となる連続マクロポア構造体である。第5-2のモノリスカチオン交換体は、乾燥状態で連続骨格の厚みが例えば0.8~40μmの範囲の三次元的に連続した骨格と、その骨格間に乾燥状態で平均直径が例えば8~80μmの範囲の三次元的に連続した空孔とからなる共連続構造体である。第5-1、第5-2のモノリスカチオン交換体のカチオン交換基が導入される前のモノリスは、第5-1、第5-2のモノリスと呼ぶ。前述の平均直径および連続骨格の乾燥状態での厚みは、第4のモノリスカチオン交換体と同様の測定方法により定められる。 The fifth monolith cation exchanger includes the fifth monolith cation exchanger and the fifth monolith cation exchanger. The fifth monolith cation exchanger is a continuous macropore structure in which bubble-like macropores overlap each other, and the overlapping portions form openings with an average diameter of, for example, 10 to 120 μm in a dry state. The fifth monolith cation exchanger is a bicontinuous structure consisting of a three-dimensionally continuous skeleton with a continuous skeleton thickness of, for example, 0.8 to 40 μm in a dry state, and three-dimensionally continuous pores with an average diameter of, for example, 8 to 80 μm in a dry state between the skeletons. The monoliths of the fifth monolith cation exchangers before the introduction of the cation exchange groups are called the fifth monoliths. The aforementioned average diameter and the thickness of the continuous skeleton in a dry state are determined by the same measurement method as for the fourth monolith cation exchanger.
図8中の(A)~(E)に示すように、骨格表面21から突き出している突起状のものが突起体22a~22eである。(A)に示すように、突起体22aは粒状に近い形状を持つ。(B)に示すように、突起体22bは半球状である。(C)に示すように、突起体22cは骨格表面の盛り上がりのような形状を持つ。(D)に示すように、突起体22dの骨格表面21の平面方向の長さは、突起体22dの骨格表面21に対して垂直方向の長さの方が長い。(E)に示すように、突起体22eは、複数の方向に突起した形状を有する。突起体の大きさは、個々の突起体のSEM画像での幅が最も大きくなる部分の長さである。図9に示すように、第5のモノリスカチオン交換体は、有機多孔質体の骨格表面に複数の突起体が形成されている。 As shown in (A) to (E) in FIG. 8, the protrusions protruding from the skeleton surface 21 are the protrusions 22a to 22e. As shown in (A), the protrusion 22a has a shape close to a granule. As shown in (B), the protrusion 22b is semispherical. As shown in (C), the protrusion 22c has a shape like a protuberance on the skeleton surface. As shown in (D), the length of the protrusion 22d in the planar direction of the skeleton surface 21 is longer than the length of the protrusion 22d in the direction perpendicular to the skeleton surface 21. As shown in (E), the protrusion 22e has a shape that protrudes in multiple directions. The size of the protrusion is the length of the part where the width of each protrusion is the largest in the SEM image. As shown in FIG. 9, in the fifth monolith cation exchanger, multiple protrusions are formed on the skeleton surface of the organic porous body.
第5のモノリスカチオン交換体において、全粒子体等中、乾燥状態で4~40μmの範囲の粒子体等が占める割合は例えば70%以上、好ましくは80%以上である。前述の粒子体等が占める割合は、全粒子体等の個数に占める乾燥状態で特定サイズの粒子体等の個数割合を指す。また、骨格相の表面は全粒子体等により例えば40%以上、好ましくは50%以上被覆されている。なお、全粒子体等による骨格層の表面の被覆割合は、SEMにより表面観察にしたときのSEM画像上の面積割合、つまり、表面を平面視したときの面積割合を指す。壁面や骨格を被覆している粒子の大きさが上記範囲を逸脱すると、流体とモノリスカチオン交換体の骨格表面および骨格内部との接触効率を改善する効果が小さくなり易い場合がある。 In the fifth monolith cation exchanger, the proportion of particles in the range of 4 to 40 μm in a dry state among all particles is, for example, 70% or more, preferably 80% or more. The proportion of the particles refers to the proportion of particles of a specific size in the total number of particles in a dry state. The surface of the skeleton phase is covered by all particles, for example, 40% or more, preferably 50% or more. The coverage of the surface of the skeleton layer by all particles refers to the area ratio on the SEM image when the surface is observed by SEM, that is, the area ratio when the surface is viewed in plan. If the size of the particles covering the wall surface or skeleton deviates from the above range, the effect of improving the contact efficiency between the fluid and the skeleton surface and inside the skeleton of the monolith cation exchanger may be easily reduced.
乾燥状態の第5のモノリスカチオン交換体のSEM観察を少なくとも3回行い、全視野において、SEM画像中の全粒子体等の乾燥状態での直径または大きさを算出して、直径または大きさが例えば4~40μmの範囲にある粒子体等が観察されるか否かを確認し、全視野において確認された場合、第5のモノリスカチオン交換体の骨格表面上に、直径または大きさが乾燥状態で例えば4~40μmの範囲にある粒子体等が形成されていると判断する。また、上記に従って1視野毎にSEM画像中の全粒子体等の乾燥状態での直径または大きさを算出し、各視野毎に、全粒子体等に占める乾燥状態で例えば4~40μmの範囲の粒子体等の割合を求め、全視野において、全粒子体等中の乾燥状態で例えば4~40μmの範囲の粒子体等が占める割合が70%以上であった場合には、第5のモノリスカチオン交換体の骨格表面に形成されている全粒子体等中、乾燥状態で例えば4~40μmの範囲の粒子体等が占める割合は70%以上であると判断する。また、上記に従って1視野毎にSEM画像中の全粒子体等による骨格層の表面の被覆割合を求め、全視野において、全粒子体等による骨格層の表面の被覆割合が40%以上であった場合には、第5のモノリスカチオン交換体の骨格層の表面が全粒子体等により被覆されている割合が40%以上であると判断する。 The fifth monolith cation exchanger in a dry state is observed at least three times under SEM, and the diameter or size of all particles in the SEM image in the dry state is calculated in the entire field of view to confirm whether particles having a diameter or size in the range of, for example, 4 to 40 μm are observed. If such particles are observed in the entire field of view, it is determined that particles having a diameter or size in the range of, for example, 4 to 40 μm in the dry state are formed on the skeleton surface of the fifth monolith cation exchanger. In addition, the diameter or size of all particles in the SEM image in the dry state is calculated for each field of view according to the above, and the proportion of particles having a diameter or size in the range of, for example, 4 to 40 μm in the dry state in the total particles is determined for each field of view. If the proportion of particles having a diameter or size in the range of, for example, 4 to 40 μm in the dry state in the total particles is 70% or more in the entire field of view, it is determined that the proportion of particles having a diameter or size in the range of, for example, 4 to 40 μm in the dry state in the total particles formed on the skeleton surface of the fifth monolith cation exchanger is 70% or more. In addition, the coverage rate of the surface of the skeleton layer by all particles, etc. in the SEM image is determined for each field of view according to the above, and if the coverage rate of the surface of the skeleton layer by all particles, etc. in the entire field of view is 40% or more, it is determined that the coverage rate of the surface of the skeleton layer of the fifth monolith cation exchanger by all particles, etc. is 40% or more.
第5のモノリスカチオン交換体において、粒子体等による骨格相表面の被覆率が40%未満であると、被処理液とモノリスカチオン交換体の骨格内部および骨格表面との接触効率を改善する効果が小さくなり易い場合がある。上記粒子体等による被覆率の測定方法としては、第5のモノリスカチオン交換体のSEM画像による画像解析方法が挙げられる。 In the fifth monolith cation exchanger, if the coverage rate of the skeletal phase surface by particulate matter or the like is less than 40%, the effect of improving the contact efficiency between the treated liquid and the inside and surface of the skeletal structure of the monolith cation exchanger may be easily reduced. An example of a method for measuring the coverage rate by the particulate matter or the like is image analysis using SEM images of the fifth monolith cation exchanger.
第5のモノリスカチオン交換体の乾燥状態での重量当りの全細孔容積は、例えば、0.5~10mL/gの範囲、好ましくは0.8~8mL/gの範囲である。全細孔容積が0.5mL/g未満であると、単位断面積当りの透過流体量が小さくなり、処理能力が低下してしまう場合がある。全細孔容積が10mL/gを超えると、機械的強度が低下して、操作上の簡便さが損なわれる場合がある。さらに、反応の際の被処理液とモノリスカチオン交換体との接触効率が低下する場合がある。 The total pore volume per weight of the fifth monolith cation exchanger in a dry state is, for example, in the range of 0.5 to 10 mL/g, preferably in the range of 0.8 to 8 mL/g. If the total pore volume is less than 0.5 mL/g, the amount of permeating fluid per unit cross-sectional area will be small, and the processing capacity may decrease. If the total pore volume exceeds 10 mL/g, the mechanical strength may decrease, and the ease of operation may be impaired. Furthermore, the contact efficiency between the treated liquid and the monolith cation exchanger during the reaction may decrease.
第5のモノリスカチオン交換体において、骨格を構成するポリマー材料の架橋密度は、ポリマー材料を構成する全構成単位に対して、例えば、0.3~10モル%の範囲、好適には0.3~5モル%の範囲の架橋構造単位を含んでいればよい。第5のモノリスカチオン交換体の骨格を構成する有機ポリマー材料は、第1のモノリスカチオン交換体と同様である。 In the fifth monolith cation exchanger, the crosslink density of the polymer material constituting the skeleton may be, for example, in the range of 0.3 to 10 mol %, preferably 0.3 to 5 mol %, of crosslinked structural units relative to the total structural units constituting the polymer material. The organic polymer material constituting the skeleton of the fifth monolith cation exchanger is the same as that of the first monolith cation exchanger.
第5のモノリスカチオン交換体において、有機多孔質体の骨格相を構成する材料と骨格相の表面に形成される粒子体等とは、同じ組織が連続した同一材料のもの、同じではない組織が連続する互いが異なる材料のもの等が挙げられる。同じではない組織が連続する互いが異なる材料のものとしては、ビニルモノマーの種類が互いに異なる材料の場合、ビニルモノマーや架橋剤の種類は同じであっても互いの配合割合が異なる材料の場合等が挙げられる。 In the fifth monolithic cation exchanger, the material constituting the skeletal phase of the organic porous material and the particulate matter formed on the surface of the skeletal phase may be made of the same material with a continuous structure of the same kind, or may be made of different materials with a continuous structure of different kinds. Examples of different materials with a continuous structure of different kinds include materials in which different types of vinyl monomers are used, and materials in which the types of vinyl monomers and crosslinking agents are the same but the mixing ratios of each agent are different.
第5のモノリスカチオン交換体は、その厚みは例えば1mm以上であり、膜状の多孔質体とは区別される。第5のモノリスカチオン交換体の厚みは、好ましくは3~1000mmの範囲である。 The fifth monolith cation exchanger has a thickness of, for example, 1 mm or more, and is distinguished from a membrane-like porous body. The thickness of the fifth monolith cation exchanger is preferably in the range of 3 to 1000 mm.
乾燥状態での重量当りのカチオン交換容量については、前述の通りである。また、「カチオン交換基が有機多孔質カチオン交換体中に分布している」ことについては、前述の通りである。 The cation exchange capacity per weight in a dry state is as described above. In addition, the fact that "cation exchange groups are distributed in the organic porous cation exchanger" is as described above.
(第5のモノリスカチオン交換体の製造方法)
第5のモノリスカチオン交換体は、例えば、次の方法によって製造することができる。
(Fifth method for producing monolithic cation exchanger)
The fifth monolithic cation exchanger can be produced, for example, by the following method.
第5のモノリスは、例えば、油中水滴型エマルションを調製した後、以下のI~III工程を行うことによって得ることができる。I工程では、例えば、油中水滴型エマルションを重合させて全細孔容積が例えば5~30mL/gの範囲の連続マクロポア構造のモノリス状の有機多孔質中間体(以下、モノリス中間体(5))を得ることができる。II工程では、例えば、ビニルモノマー、一分子中に少なくとも2個以上のビニル基を有する架橋剤、ビニルモノマーや架橋剤は溶解するがビニルモノマーが重合して生成するポリマーは溶解しない有機溶媒および重合開始剤を含む混合物を調製する。III工程では、例えば、II工程で得られた混合物を静置下、かつI工程で得られたモノリス中間体(5)の存在下に重合を行い、第5のモノリスを得ることができる。 The fifth monolith can be obtained, for example, by preparing a water-in-oil emulsion and then carrying out the following steps I to III. In step I, for example, the water-in-oil emulsion can be polymerized to obtain a monolithic organic porous intermediate (hereinafter, monolith intermediate (5)) having a continuous macropore structure with a total pore volume in the range of, for example, 5 to 30 mL/g. In step II, for example, a mixture containing a vinyl monomer, a crosslinking agent having at least two vinyl groups in one molecule, an organic solvent that dissolves the vinyl monomer and the crosslinking agent but not the polymer produced by polymerization of the vinyl monomer, and a polymerization initiator is prepared. In step III, for example, the mixture obtained in step II is left to stand and polymerized in the presence of the monolith intermediate (5) obtained in step I to obtain the fifth monolith.
第5のモノリスの製造方法におけるI工程は、第3のモノリスの製造方法におけるI工程と同様である。 Step I in the fifth monolith manufacturing method is the same as step I in the third monolith manufacturing method.
I工程では、油中水滴型エマルション形成の際、必要に応じて重合開始剤を使用してもよい。重合開始剤は、熱または光照射によりラジカルを発生する化合物が好適に用いられる。重合開始剤は水溶性であっても油溶性であってもよく、例えば、2,2’-アゾビス(イソブチロニトリル)、2,2’-アゾビス(2,4-ジメチルバレロニトリル)、2,2’-アゾビス(2-メチルブチロニトリル)、2,2’-アゾビス(4-メトキシ-2,4-ジメチルバレロニトリル)、2,2’-アゾビスイソ酪酸ジメチル、4,4’-アゾビス(4-シアノ吉草酸)、1,1’-アゾビス(シクロヘキサン-1-カルボニトリル)、過酸化ベンゾイル、過酸化ラウロイル、過硫酸カリウム、過硫酸アンモニウム、過酸化水素-塩化第一鉄、過硫酸ナトリウム-酸性亜硫酸ナトリウム等が挙げられる。 In step I, when forming the water-in-oil emulsion, a polymerization initiator may be used as necessary. The polymerization initiator is preferably a compound that generates radicals when exposed to heat or light. The polymerization initiator may be water-soluble or oil-soluble, and examples thereof include 2,2'-azobis(isobutyronitrile), 2,2'-azobis(2,4-dimethylvaleronitrile), 2,2'-azobis(2-methylbutyronitrile), 2,2'-azobis(4-methoxy-2,4-dimethylvaleronitrile), 2,2'-azobisdimethylisobutyrate, 4,4'-azobis(4-cyanovaleric acid), 1,1'-azobis(cyclohexane-1-carbonitrile), benzoyl peroxide, lauroyl peroxide, potassium persulfate, ammonium persulfate, hydrogen peroxide-ferrous chloride, sodium persulfate-acidic sodium sulfite, etc.
I工程で得られるモノリス中間体(5)は、連続マクロポア構造を有する。これを重合系に共存させると、そのモノリス中間体(5)の構造を鋳型として連続マクロポア構造の骨格相の表面に粒子体等が形成したり、共連続構造の骨格相の表面に粒子体等が形成したりする。また、モノリス中間体(5)は、架橋構造を有する有機ポリマー材料である。ポリマー材料の架橋密度は、ポリマー材料を構成する全構成単位に対して、例えば0.3~10モル%の範囲、好ましくは0.3~5モル%の範囲の架橋構造単位を含んでいる。 The monolith intermediate (5) obtained in step I has a continuous macropore structure. When this is allowed to coexist in a polymerization system, particulate matter, etc. is formed on the surface of the skeletal phase of the continuous macropore structure using the structure of the monolith intermediate (5) as a template, or particulate matter is formed on the surface of the skeletal phase of the cocontinuous structure. The monolith intermediate (5) is also an organic polymer material having a crosslinked structure. The crosslink density of the polymer material contains crosslinked structural units in the range of, for example, 0.3 to 10 mol %, preferably 0.3 to 5 mol %, of the total structural units constituting the polymer material.
モノリス中間体(5)のポリマー材料の種類は、第3のモノリスの製造方法におけるモノリス中間体(3)のポリマー材料の種類と同様である。 The type of polymer material of the monolith intermediate (5) is the same as the type of polymer material of the monolith intermediate (3) in the third monolith manufacturing method.
I工程で得られるモノリス中間体(5)の乾燥状態での重量当りの全細孔容積は、例えば、5~30mL/gの範囲、好適には6~28mL/gの範囲である。モノリス中間体(5)の全細孔容積を上記数値範囲とするには、モノマーと水の比(重量)を、例えば、概ね1:5~1:35とすればよい。 The total pore volume per weight of the monolith intermediate (5) obtained in step I in a dry state is, for example, in the range of 5 to 30 mL/g, preferably in the range of 6 to 28 mL/g. To bring the total pore volume of the monolith intermediate (5) into the above numerical range, the ratio (by weight) of monomer to water may be, for example, approximately 1:5 to 1:35.
I工程において、このモノマーと水との比を、概ね1:5~1:20とすれば、モノリス中間体(5)の全細孔容積が例えば5~16mL/gの連続マクロポア構造のものが得られ、III工程を経て得られるモノリスは第5-1のモノリスとなる。一方、モノマーと水との比を、概ね1:20~1:35とすれば、モノリス中間体(5)の全細孔容積が例えば16mL/gを超え、30mL/g以下の連続マクロポア構造のものが得られ、III工程を経て得られるモノリスは第5-2のモノリスとなる。 In step I, if the ratio of monomer to water is approximately 1:5 to 1:20, the monolith intermediate (5) will have a continuous macropore structure with a total pore volume of, for example, 5 to 16 mL/g, and the monolith obtained through step III will be a monolith No. 5-1. On the other hand, if the ratio of monomer to water is approximately 1:20 to 1:35, the monolith intermediate (5) will have a continuous macropore structure with a total pore volume of, for example, more than 16 mL/g and 30 mL/g or less, and the monolith obtained through step III will be a monolith No. 5-2.
第5のモノリスの製造方法におけるI工程で得られるモノリス中間体(5)は、マクロポアとマクロポアの重なり部分である開口(メソポア)の乾燥状態での平均直径が例えば20~200μmである。 The monolith intermediate (5) obtained in step I of the fifth monolith manufacturing method has an average diameter in a dry state of the openings (mesopores), which are the overlapping portions of the macropores, of, for example, 20 to 200 μm.
第5のモノリスの製造方法におけるII工程は、第3のモノリスの製造方法におけるII工程と同様である。第5のモノリスの製造方法におけるIII工程では、例えば、II工程で得られた混合物を静置下、かつI工程で得られたモノリス中間体(5)の存在下、重合を行い、第5のモノリスを得ることができる。 Step II in the fifth monolith manufacturing method is the same as step II in the third monolith manufacturing method. In step III in the fifth monolith manufacturing method, for example, the mixture obtained in step II is left to stand and polymerized in the presence of the monolith intermediate (5) obtained in step I to obtain the fifth monolith.
ここで、特表平7-501140号等に開示されているように、モノリス中間体(5)不存在下でビニルモノマーと架橋剤を特定の有機溶媒中で静置重合させると、粒子凝集型のモノリス状有機多孔質体を得ることができる。対して、上記重合系に連続マクロポア構造のモノリス中間体(5)を存在させると、重合後の複合モノリスの構造は劇的に変化し、粒子凝集構造ではなく、上述の特定の骨格構造を有する第5のモノリスを得ることができる。 As disclosed in JP-A-7-501140 and other publications, when a vinyl monomer and a crosslinking agent are subjected to static polymerization in a specific organic solvent in the absence of the monolith intermediate (5), a particle-aggregated monolithic organic porous body can be obtained. In contrast, when the monolith intermediate (5) having a continuous macropore structure is present in the above polymerization system, the structure of the composite monolith after polymerization changes dramatically, and a fifth monolith having the above-mentioned specific skeletal structure can be obtained, rather than a particle-aggregated structure.
第5のモノリスの製造方法におけるIII工程において、反応容器の内容積は、モノリス中間体(5)を反応容器中に存在させる大きさのものであれば特に制限されない。反応容器内にモノリス中間体(5)を載置した際、平面視でモノリスの周りに隙間ができるもの、反応容器内にモノリス中間体(5)がほとんど隙間無く入るもののいずれであってもよい。このうち、重合後の第5のモノリスが容器内壁から押圧をほとんど受けることなく、反応容器内にほとんど隙間無く入るものが、第5のモノリスに歪がほとんど生じることもなく、反応原料等の無駄がほとんどなく効率的である。なお、反応容器の内容積が大きく、重合後の第5のモノリスの周りに隙間が存在する場合であっても、ビニルモノマーや架橋剤は、モノリス中間体(5)に吸着、分配されるため、反応容器内の隙間部分に粒子凝集構造物が生成することはほとんどない。 In step III of the fifth monolith manufacturing method, the internal volume of the reaction vessel is not particularly limited as long as it is large enough to allow the monolith intermediate (5) to exist in the reaction vessel. When the monolith intermediate (5) is placed in the reaction vessel, either a gap is formed around the monolith in a plan view, or the monolith intermediate (5) fits almost without gaps in the reaction vessel. Of these, the fifth monolith after polymerization is hardly subjected to pressure from the inner wall of the vessel and fits almost without gaps in the reaction vessel, which is efficient with almost no distortion of the fifth monolith and almost no waste of reaction raw materials. Note that even if the internal volume of the reaction vessel is large and gaps exist around the fifth monolith after polymerization, the vinyl monomer and crosslinking agent are adsorbed and distributed to the monolith intermediate (5), so that particle aggregate structures are hardly generated in the gaps in the reaction vessel.
このIII工程において、例えば、反応容器中、モノリス中間体(5)は混合物(溶液)で含浸された状態に置かれる。II工程で得られた混合物とモノリス中間体(5)の配合比は、前述の通り、モノリス中間体(5)に対して、ビニルモノマーの添加量が重量で例えば3~50倍の範囲、好ましくは4~40倍の範囲となるように配合すればよい。これにより、適度な開口径を有しつつ、特定の骨格を有する複合モノリスである第5のモノリスを得ることができる。反応容器中、混合物中のビニルモノマーと架橋剤は、静置されたモノリス中間体(5)の骨格に吸着、分配され、モノリス中間体(5)の骨格内で重合が進行する。 In this step III, for example, the monolith intermediate (5) is placed in a reaction vessel in a state of being impregnated with the mixture (solution). As described above, the mixture obtained in step II and the monolith intermediate (5) may be mixed in such a ratio that the amount of vinyl monomer added is, for example, in the range of 3 to 50 times, preferably in the range of 4 to 40 times, by weight, relative to the monolith intermediate (5). This makes it possible to obtain a fifth monolith, which is a composite monolith having a specific skeleton while having an appropriate opening diameter. In the reaction vessel, the vinyl monomer and crosslinking agent in the mixture are adsorbed and distributed to the skeleton of the stationary monolith intermediate (5), and polymerization proceeds within the skeleton of the monolith intermediate (5).
第5のモノリスの製造方法におけるIII工程において、重合条件は第3のモノリスの製造方法におけるIII工程とほとんど同様である。 In step III of the fifth monolith manufacturing method, the polymerization conditions are almost the same as those in step III of the third monolith manufacturing method.
上述の第5のモノリスを製造する際に、下記(1)~(5)の条件のうち、少なくとも一つを満たす条件下でII工程またはIII工程行うと、骨格表面に粒子体等が形成されたモノリスを製造することができる。
(1)III工程における重合温度が、重合開始剤の10時間半減温度より、少なくとも5℃低い温度である。
(2)II工程で用いる架橋剤のモル%が、I工程で用いる架橋剤のモル%の2倍以上である。
(3)II工程で用いるビニルモノマーが、I工程で用いた油溶性モノマーとは異なる構造のビニルモノマーである。
(4)II工程で用いる有機溶媒が、分子量200以上のポリエーテルである。
(5)II工程で用いるビニルモノマーの濃度が、II工程の混合物中、30重量%以下である。
When producing the fifth monolith described above, if step II or step III is carried out under conditions that satisfy at least one of the following conditions (1) to (5), a monolith having particles and the like formed on the skeleton surface can be produced.
(1) The polymerization temperature in step III is at least 5° C. lower than the 10-hour half-life temperature of the polymerization initiator.
(2) The mole percentage of the crosslinking agent used in step II is at least twice the mole percentage of the crosslinking agent used in step I.
(3) The vinyl monomer used in step II has a structure different from that of the oil-soluble monomer used in step I.
(4) The organic solvent used in step II is a polyether having a molecular weight of 200 or more.
(5) The concentration of the vinyl monomer used in step II is 30% by weight or less in the mixture in step II.
このようにして得られる第5のモノリスの好ましい構造としては、気泡状のマクロポア同士が重なり合い、この重なる部分が乾燥状態で例えば平均直径10~120μmの範囲の開口となる連続マクロポア構造体(「第5-1のモノリス」)および、乾燥状態での連続骨格の厚みが例えば0.8~40μmの範囲の三次元的に連続した骨格と、その骨格間に乾燥状態での直径が例えば8~80μmの範囲の三次元的に連続した空孔とからなる共連続構造体(「第5-2のモノリス」)が挙げられる。なお、第5のモノリスにカチオン交換基を導入する方法は、第1のモノリスにカチオン交換基を導入する方法と同様である。 Preferred structures of the fifth monolith thus obtained include a continuous macropore structure ("Fifth-1 monolith") in which bubble-like macropores overlap each other, and the overlapping portions form openings with an average diameter of, for example, 10 to 120 μm in the dry state, and a co-continuous structure ("Fifth-2 monolith") consisting of a three-dimensionally continuous skeleton with a thickness of, for example, 0.8 to 40 μm in the dry state, and three-dimensionally continuous pores between the skeletons with a diameter of, for example, 8 to 80 μm in the dry state. The method for introducing cation exchange groups into the fifth monolith is the same as the method for introducing cation exchange groups into the first monolith.
[カルボン酸チオエステルの製造条件]
本実施形態に係るカルボン酸チオエステルの製造方法において、反応温度は、強酸性カチオン交換樹脂の存在下でカルボン酸とチオールとが反応する温度であればよく、特に制限はないが、例えば、100~180℃の範囲であり、120~160℃の範囲であることが好ましい。反応温度が100℃未満では、製造効率が低下する場合があり、180℃を超えると、触媒の強酸性カチオン交換樹脂の分解や、副反応の進行が懸念される。
[Conditions for producing carboxylic acid thioester]
In the method for producing a carboxylic acid thioester according to the present embodiment, the reaction temperature is not particularly limited as long as the carboxylic acid and the thiol react in the presence of a strongly acidic cation exchange resin, but is, for example, in the range of 100 to 180° C., and preferably in the range of 120 to 160° C. If the reaction temperature is less than 100° C., the production efficiency may decrease, and if it exceeds 180° C., there is a concern that the strongly acidic cation exchange resin in the catalyst may be decomposed or a side reaction may proceed.
反応時間は、カルボン酸とチオールとの反応が進行する時間であればよく、特に制限はないが、例えば、3~120時間の範囲である。反応時間が3時間未満では、十分な反応の進行が望めない場合があり、120時間を超えて反応させても、製造効率の向上は望めない場合がある。 The reaction time is not particularly limited as long as it is a time during which the reaction between the carboxylic acid and the thiol proceeds, but is, for example, in the range of 3 to 120 hours. If the reaction time is less than 3 hours, the reaction may not proceed sufficiently, and even if the reaction time exceeds 120 hours, improvement in production efficiency may not be expected.
本実施形態に係るカルボン酸チオエステルの製造方法において、カルボン酸とチオールとの反応は、溶媒中で実施することができる。溶媒の種類は、カルボン酸とチオールとの反応を阻害しないものであればよく、特に制限はないが、例えば、オクタン、デカン等の炭化水素系溶媒、トルエン、キシレン等の芳香族系溶媒、クロロベンゼン等のハロゲン系溶媒、1,2-ジメトキシメタン、ジグリム等のエーテル系溶媒、N,N-ジメチルホルムアミド等のアミド系溶媒、ジメチルスルホキシド等のスルホキシド系溶媒、スルホラン等のスルホン系溶媒等が挙げられる。溶媒は一種類単独で用いてもよいし、二種類以上の混合溶媒を用いてもよい。 In the method for producing a carboxylic acid thioester according to the present embodiment, the reaction between the carboxylic acid and the thiol can be carried out in a solvent. The type of solvent is not particularly limited as long as it does not inhibit the reaction between the carboxylic acid and the thiol. Examples of the solvent include hydrocarbon solvents such as octane and decane, aromatic solvents such as toluene and xylene, halogen solvents such as chlorobenzene, ether solvents such as 1,2-dimethoxymethane and diglyme, amide solvents such as N,N-dimethylformamide, sulfoxide solvents such as dimethyl sulfoxide, and sulfone solvents such as sulfolane. A single type of solvent may be used, or a mixture of two or more types may be used.
反応は、アルゴンや窒素等の不活性ガス雰囲気下で実施してもよい。不活性ガス雰囲気下での反応の実施により、反応液の変色を抑制することができる。 The reaction may be carried out under an inert gas atmosphere such as argon or nitrogen. By carrying out the reaction under an inert gas atmosphere, discoloration of the reaction solution can be suppressed.
本製造方法で得られるカルボン酸チオエステルは、必要に応じて精製工程によって精製してもよい。精製方法は、得られるカルボン酸チオエステルの純度を向上することができればよく、特に制限はないが、シリカゲルフラッシュカラムクロマトグラフィー、再結晶等が挙げられる。 The carboxylic acid thioester obtained by this production method may be purified by a purification step as necessary. The purification method is not particularly limited as long as it can improve the purity of the obtained carboxylic acid thioester, and examples of the purification method include silica gel flash column chromatography and recrystallization.
強酸性カチオン交換樹脂の存在下でのカルボン酸とチオールとの反応は、例えば、カルボン酸とチオールとを含む原料液(被処理液)を、固体酸触媒である強酸性カチオン交換樹脂が充填されている充填容器の導入経路より、充填容器内に導入し、強酸性カチオン交換樹脂に原料液を通液、接触し、反応液を充填容器の排出経路から排出することによって行ってもよい。充填容器は、加熱装置によって所定の温度に加熱してもよい。または、カルボン酸とチオールと強酸性カチオン交換樹脂とを含む原料液を反応容器中で、例えば不活性ガス雰囲気下で所定の温度、所定の時間、必要に応じて撹拌して反応させてもよい。 The reaction of carboxylic acid and thiol in the presence of a strong acid cation exchange resin may be carried out, for example, by introducing a raw material liquid (liquid to be treated) containing carboxylic acid and thiol into a filling container filled with a strong acid cation exchange resin as a solid acid catalyst through an inlet path of the filling container, passing the raw material liquid through and contacting the strong acid cation exchange resin, and discharging the reaction liquid through a discharge path of the filling container. The filling container may be heated to a predetermined temperature by a heating device. Alternatively, the raw material liquid containing carboxylic acid, thiol, and strong acid cation exchange resin may be reacted in a reaction container, for example, under an inert gas atmosphere, at a predetermined temperature for a predetermined time, while stirring as necessary.
以下、実施例および比較例を挙げ、本発明をより具体的に詳細に説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。 The present invention will be described in more detail below with reference to examples and comparative examples, but the present invention is not limited to the following examples.
[モノリスカチオン交換体の製造]
(モノリス中間体の製造(I工程))
モノマーとしてスチレン9.28g、ジビニルベンゼン0.19g、界面活性剤としてソルビタンモノオレエート(以下SMOと略す)0.50gおよび重合開始剤として2,2’-アゾビス(イソブチロニトリル)0.25gを混合し、均一になるように溶解させた。次に、このスチレン/ジビニルベンゼン/SMO/2,2’-アゾビス(イソブチロニトリル)混合物を180gの純水に添加し、遊星式撹拌装置である真空撹拌脱泡ミキサー(イーエムイー社製)を用いて減圧下撹拌して、油中水滴型エマルションを得た。このエマルションを速やかに反応容器に移し、密封後、静置下60℃で24時間重合させた。重合終了後、内容物を取り出し、メタノールで抽出した後、減圧乾燥して、連続マクロポア構造を有するモノリス中間体を製造した。このようにして得られたモノリス中間体(乾燥体)の内部構造をSEMにより観察した。SEM画像を図10に示すが、隣接する2つのマクロポアを区画する壁部は極めて細く棒状であるものの、連続マクロポア構造を有しており、水銀圧入法により測定したマクロポアとマクロポアが重なる部分の開口(メソポア)の平均直径は40μm、全細孔容積は18.2mL/gであった。
[Preparation of monolithic cation exchanger]
(Production of Monolith Intermediate (Process I))
9.28 g of styrene as a monomer, 0.19 g of divinylbenzene, 0.50 g of sorbitan monooleate (hereinafter abbreviated as SMO) as a surfactant, and 0.25 g of 2,2'-azobis(isobutyronitrile) as a polymerization initiator were mixed and dissolved uniformly. Next, this styrene/divinylbenzene/SMO/2,2'-azobis(isobutyronitrile) mixture was added to 180 g of pure water and stirred under reduced pressure using a vacuum stirring and degassing mixer (manufactured by EME Co., Ltd.), which is a planetary stirring device, to obtain a water-in-oil type emulsion. This emulsion was quickly transferred to a reaction vessel, sealed, and polymerized at 60°C for 24 hours under static conditions. After the polymerization was completed, the contents were removed, extracted with methanol, and then dried under reduced pressure to produce a monolith intermediate having a continuous macropore structure. The internal structure of the monolith intermediate (dried body) obtained in this manner was observed by SEM. An SEM image is shown in Figure 10. Although the wall separating two adjacent macropores is extremely thin and rod-like, it has a continuous macropore structure. The average diameter of the openings (mesopores) where the macropores overlap, as measured by mercury intrusion porosimetry, was 40 μm, and the total pore volume was 18.2 mL/g.
(モノリスの製造(II工程))
次いで、モノマーとしてスチレン216.6g、架橋剤としてジビニルベンゼン4.4g、有機溶媒として1-デカノール220g、重合開始剤として2,2’-アゾビス(2,4-ジメチルバレロニトリル)0.8gを混合し、均一になるように溶解させた(II工程)。
(Production of Monolith (Step II))
Next, 216.6 g of styrene as a monomer, 4.4 g of divinylbenzene as a crosslinking agent, 220 g of 1-decanol as an organic solvent, and 0.8 g of 2,2'-azobis(2,4-dimethylvaleronitrile) as a polymerization initiator were mixed and dissolved uniformly (step II).
(モノリスの製造(III工程))
次に上記モノリス中間体を反応容器に入れ、このスチレン/ジビニルベンゼン/1-デカノール/2,2’-アゾビス(2,4-ジメチルバレロニトリル)混合物に浸漬させ、減圧チャンバー中で脱泡した後、反応容器を密封し、静置下50℃で24時間重合させた。重合終了後、内容物を取り出し、アセトンでソックスレー抽出した後、減圧乾燥した(III工程)。
(Production of Monolith (Step III))
Next, the monolith intermediate was placed in a reaction vessel, immersed in the styrene/divinylbenzene/1-decanol/2,2'-azobis(2,4-dimethylvaleronitrile) mixture, and degassed in a vacuum chamber, after which the reaction vessel was sealed and left to polymerize for 24 hours at 50° C. After polymerization was completed, the contents were taken out, subjected to Soxhlet extraction with acetone, and then dried under reduced pressure (III step).
このようにして得られたスチレン/ジビニルベンゼン系共重合体よりなる架橋成分を1.2モル%含有したモノリス(乾燥体)の内部構造を、SEMにより観察した結果を図11に示す。図11から明らかなように、このモノリスは骨格および空孔はそれぞれ3次元的に連続して連続骨格相と連続空孔相とからなり、両相が絡み合った共連続構造であった。また、SEM画像から測定した連続骨格の厚みは20μmであった。また、水銀圧入法により測定した、このモノリスの三次元的に連続した空孔の平均直径は70μm、全細孔容積は4.4mL/gであった。なお、空孔の平均直径は、水銀圧入法により得られた細孔分布曲線の極大値から求めた。 Figure 11 shows the results of SEM observation of the internal structure of the monolith (dried body) thus obtained, which contains 1.2 mol% of a crosslinking component made of a styrene/divinylbenzene copolymer. As is clear from Figure 11, the skeleton and pores of this monolith are each three-dimensionally continuous and consist of a continuous skeleton phase and a continuous pore phase, respectively, and the two phases are intertwined to form a co-continuous structure. The thickness of the continuous skeleton measured from the SEM image was 20 μm. The average diameter of the three-dimensionally continuous pores of this monolith, measured by mercury intrusion porosimetry, was 70 μm, and the total pore volume was 4.4 mL/g. The average diameter of the pores was determined from the maximum value of the pore distribution curve obtained by mercury intrusion porosimetry.
(モノリスカチオン交換体の製造)
上記の方法で製造したモノリスをカラム状反応器に入れ、クロロスルホン酸500g、ジクロロメタン4Lを含む溶液を通液して、20℃、3時間反応させた。反応終了後、系内にメタノールを添加し、未反応のクロロスルホン酸を失活させ、さらにメタノールで洗浄して生成物を取り出した。最後に純水で洗浄して、モノリスカチオン交換体を得た。
(Preparation of monolithic cation exchanger)
The monolith produced by the above method was placed in a column reactor, and a solution containing 500 g of chlorosulfonic acid and 4 L of dichloromethane was passed through it to react at 20° C. for 3 hours. After the reaction was completed, methanol was added to the system to deactivate unreacted chlorosulfonic acid, and the product was extracted by washing with methanol. Finally, it was washed with pure water to obtain a monolith cation exchanger.
得られたモノリスカチオン交換体のカチオン交換容量は、乾燥状態で4.7mg当量/gであり、スルホン酸基が定量的に導入されていることを確認した。また、図11から明らかなように、このモノリスカチオン交換体は、骨格および空孔はそれぞれ3次元的に連続し、両相が絡み合った共連続構造であった。また、SEM画像から測定した乾燥状態での骨格の平均太さは20μmであり、水銀圧入法による測定から求めた、このモノリスカチオン交換体の三次元的に連続した空孔の乾燥状態での平均直径は、70μm、乾燥状態での全細孔容積は、4.4mL/gであった。 The cation exchange capacity of the obtained monolith cation exchanger was 4.7 mg equivalent/g in a dry state, and it was confirmed that sulfonic acid groups were quantitatively introduced. As is clear from FIG. 11, this monolith cation exchanger had a co-continuous structure in which the skeleton and pores were three-dimensionally continuous and the two phases were entangled. The average thickness of the skeleton in a dry state measured from SEM images was 20 μm, and the average diameter of the three-dimensionally continuous pores of this monolith cation exchanger in a dry state determined from measurements using mercury intrusion porosimetry was 70 μm, and the total pore volume in a dry state was 4.4 mL/g.
次いで、モノリスカチオン交換体中のスルホン酸基の分布状態を確認するため、電子プローブマイクロアナライザー(EPMA)によって、硫黄の分布状態を観察した。モノリスカチオン交換体の表面における硫黄の分布状態を図12に、骨格断面における硫黄の分布状態を図13に示すが、硫黄はモノリスカチオン交換体の骨格表面のみならず、骨格内部にも略均一に分布しており、スルホン酸基がモノリスカチオン交換体中に略均一に導入されていることを確認することができた。 Next, to confirm the distribution of sulfur in the monolith cation exchanger, the distribution of sulfur was observed using an electron probe microanalyzer (EPMA). The distribution of sulfur on the surface of the monolith cation exchanger is shown in Figure 12, and the distribution of sulfur in the cross section of the skeleton is shown in Figure 13. It was confirmed that sulfur was distributed almost uniformly not only on the skeleton surface of the monolith cation exchanger, but also inside the skeleton, and that sulfur groups were introduced almost uniformly into the monolith cation exchanger.
このようにして製造したモノリスカチオン交換体を以下、「monolith-SO3H」または「monolith-SO3H触媒」とも記載する。 The monolithic cation exchanger produced in this manner is hereinafter also referred to as "monolith-SO 3 H" or "monolith-SO 3 H catalyst".
<実施例1-1>
基質である3-フェニルプロピオン酸(以下、「PPA」とも記載する)75.1mg(0.5mmol)、ナイフで1~2mm角に細断したmonolith-SO3H触媒75.1mg(100質量%)、1-ドデカンチオール(以下、「DDT」とも記載する)238.1μL(基質に対して2当量)およびトルエン1mLを乾燥させた試験管に投入した。その後、アルゴンバルーンを装着し、アルゴン雰囲気下に置換した後、反応温度を120℃に設定し、72時間撹拌して反応させた。
<Example 1-1>
75.1 mg (0.5 mmol) of 3-phenylpropionic acid (hereinafter also referred to as "PPA") as a substrate, 75.1 mg (100 mass%) of monolith-SO 3 H catalyst cut into 1-2 mm squares with a knife, 238.1 μL (2 equivalents relative to the substrate) of 1-dodecanethiol (hereinafter also referred to as "DDT"), and 1 mL of toluene were placed in a dried test tube. After that, an argon balloon was attached and the atmosphere was replaced with argon, and the reaction temperature was set to 120° C. and stirred for 72 hours to react.
その後、得られた反応液に酢酸エチルを添加し、綿栓を用いてろ過することにより、monolith-SO3H触媒を除去した反応ろ液を得た。トルエン、酢酸エチルを減圧留去し、得られた反応残渣を重クロロホルムに溶解させ、内標準物質として1,1,2,2-テトラクロロエタン(0.5mmol)を添加して、1HNMR(日本電子株式会社製、ECS-400型)を測定することによって、反応せずに残った原料基質と目的生成物であるS-ドデシル3-フェニルプロパンチオエステル(以下、「DPT」とも記載する)の収率を算出したところ、それぞれ12%、88%(147.2mgに相当)であった。結果を表1に示す。なお、反応温度を60℃、80℃に変更して同様に反応させたところ、目的生成物はほとんど得られなかった。 Thereafter, ethyl acetate was added to the reaction solution obtained, and the mixture was filtered using a cotton plug to obtain a reaction filtrate from which the monolith-SO 3 H catalyst had been removed. Toluene and ethyl acetate were distilled off under reduced pressure, and the reaction residue obtained was dissolved in deuterated chloroform, and 1,1,2,2-tetrachloroethane (0.5 mmol) was added as an internal standard substance. Measurement was performed using 1 HNMR (manufactured by JEOL Ltd., ECS-400 model) to calculate the yields of the raw material substrate that remained unreacted and the target product S-dodecyl 3-phenylpropanethioester (hereinafter also referred to as "DPT"), which were 12% and 88% (corresponding to 147.2 mg), respectively. The results are shown in Table 1. When the reaction was carried out in the same manner at reaction temperatures of 60° C. and 80° C., almost no target product was obtained.
<実施例1-2~実施例1-4、参考例1-5~参考例1-7、比較例1-1,1-2>
実施例1-1のチオールの当量、反応温度、反応時間および触媒を表1に記載のチオールの当量、反応温度、反応時間および触媒に変更したこと以外は実施例1-1と同じ条件で反応を行い、混合生成物を得て、1HNMR(日本電子株式会社製、ECS-400型またはECA-500型)による内標収率を計算した。結果を表1に示す。表1中に記載の「アンバーリスト(商標)16WET」(カチオン交換容量:4.8mg当量/g)、「アンバーリスト(商標)15DRY」(カチオン交換容量:4.7mg当量/g)、「アンバーリスト(商標)45」(カチオン交換容量:2.95mg当量/g)、「アンバーライト(商標)XH2071H」(カチオン交換容量:2.7mg当量/g)は、オルガノ社製の強酸性カチオン交換樹脂である。
<Examples 1-2 to 1-4, Reference Examples 1-5 to 1-7 , Comparative Examples 1-1 and 1-2>
The reaction was carried out under the same conditions as in Example 1-1, except that the thiol equivalent, reaction temperature, reaction time, and catalyst in Example 1-1 were changed to those shown in Table 1, to obtain a mixed product, and the internal standard yield was calculated using 1 HNMR (manufactured by JEOL Ltd., ECS-400 model or ECA-500 model). The results are shown in Table 1. "Amberlyst (trademark) 16WET" (cation exchange capacity: 4.8 mg equivalent/g), "Amberlyst (trademark) 15DRY" (cation exchange capacity: 4.7 mg equivalent/g), "Amberlyst (trademark) 45" (cation exchange capacity: 2.95 mg equivalent/g), and "Amberlite (trademark) XH2071H" (cation exchange capacity: 2.7 mg equivalent/g) shown in Table 1 are strongly acidic cation exchange resins manufactured by Organo Corporation.
表1からわかるように、強酸性カチオン交換樹脂(アンバーリスト(商標)45)を用いる条件(比較例1)、触媒を用いない条件(比較例2)においては、目的のチオエステルが製造できず、チオエステルの製造において、1mg当量/g以上の非粒子状有機多孔質強酸性カチオン交換体の共存が重要である。 As can be seen from Table 1 , under conditions in which a strongly acidic cation exchange resin (Amberlyst (trademark) 45) was used (Comparative Example 1) and under conditions in which no catalyst was used (Comparative Example 2), the target thioester could not be produced, and therefore, in the production of thioesters, the coexistence of a non-particulate organic porous strongly acidic cation exchanger of 1 mg equivalent/g or more is important.
特に、実施例1-1より、強酸性カチオン交換体としてmonolith-SO3Hを用いた場合には、チオエステル化が進行し、目的化合物が高収率で製造することができることがわかる。 In particular, it is seen from Example 1-1 that when monolith-SO 3 H is used as the strongly acidic cation exchanger, thioesterification proceeds and the target compound can be produced in high yield.
<実施例2-1>
基質である3-フェニルプロピオン酸(PPA)75.1mg(0.5mmol)、ナイフで1~2mm角に細断したmonolith-SO3H触媒75.1mg(100質量%)、p-トルエンチオール(以下、「PTT」とも記載する)124.2mg(基質に対して2当量)およびトルエン1mLを乾燥させた試験管に投入した。その後、アルゴンバルーンを装着し、アルゴン雰囲気下に置換した後、反応温度を120℃に設定し、72時間撹拌して反応させた。
<Example 2-1>
75.1 mg (0.5 mmol) of 3-phenylpropionic acid (PPA) as a substrate, 75.1 mg (100 mass%) of monolith-SO 3 H catalyst cut into 1-2 mm cubes with a knife, 124.2 mg (2 equivalents relative to the substrate) of p-toluenethiol (hereinafter also referred to as "PTT"), and 1 mL of toluene were placed in a dried test tube. After that, an argon balloon was attached and the atmosphere was replaced with argon, and the reaction temperature was set to 120°C and stirred for 72 hours to react.
その後、得られた反応液に酢酸エチルを添加し、綿栓を用いてろ過することにより、monolith-SO3H触媒を除去した反応ろ液を得た。トルエン、酢酸エチルを減圧留去し、得られた反応残渣を重クロロホルムに溶解させ、内標準物質として1,1,2,2-テトラクロロエタン(0.5mmol)を添加して、1HNMRを測定することによって、反応せずに残った原料基質と目的生成物であるS-(p-トリル)-3-フェニルプロパンチオエステル(以下、「TPT」とも記載する)の収率を算出したところ、それぞれ79%、15%(19.2mgに相当)であった。また、混合生成物をカラム精製し、単離収率14%(17.9mg)で単離した。結果を表2に示す。 Thereafter, ethyl acetate was added to the reaction solution obtained, and the mixture was filtered using a cotton plug to obtain a reaction filtrate from which the monolith-SO 3 H catalyst had been removed. Toluene and ethyl acetate were distilled off under reduced pressure, and the reaction residue obtained was dissolved in deuterated chloroform, to which 1,1,2,2-tetrachloroethane (0.5 mmol) was added as an internal standard substance. By measuring 1 H NMR, the yields of the raw material substrate remaining unreacted and the target product S-(p-tolyl)-3-phenylpropanethioester (hereinafter also referred to as "TPT") were calculated to be 79% and 15% (corresponding to 19.2 mg), respectively. In addition, the mixed product was purified using a column, and isolated with an isolation yield of 14% (17.9 mg). The results are shown in Table 2.
<実施例2-2>
実施例2-1のチオールを、1-ヘプタンチオール(以下、「HT」とも記載する)157.5μL(基質に対して2当量)に変更したこと以外は、実施例2-1と同じ条件で反応を行い、S-ヘプチル-3-フェニルプロパンチオエステル(以下、「HPT」とも記載する)を含む混合生成物を得た。反応せずに残った原料基質と目的生成物であるHPTの収率を算出したところ、それぞれ0%、96%(126.9mgに相当)であった。また、混合生成物をカラム精製し、単離収率92%(121.7mg)で単離した。結果を表2に示す。
<Example 2-2>
The reaction was carried out under the same conditions as in Example 2-1, except that the thiol in Example 2-1 was changed to 157.5 μL (2 equivalents relative to the substrate) of 1-heptanethiol (hereinafter also referred to as "HT"), to obtain a mixed product containing S-heptyl-3-phenylpropanethioester (hereinafter also referred to as "HPT"). The yields of the raw material substrate that remained unreacted and the target product HPT were calculated to be 0% and 96% (corresponding to 126.9 mg), respectively. In addition, the mixed product was purified by column and isolated with an isolation yield of 92% (121.7 mg). The results are shown in Table 2.
<実施例2-3>
実施例2-1のチオールを、1-オクタンチオール(以下、「OT」とも記載する)174.2μL(基質に対して2当量)に変更したこと以外は、実施例2-1と同じ条件で反応を行い、S-オクチル-3-フェニルプロパンチオエステル(以下、「OPT」とも記載する)を含む混合生成物を得た。反応せずに残った原料基質と目的生成物であるOPTの収率を算出したところ、それぞれ0%、98%(136.4mgに相当)であった。また、混合生成物をカラム精製し、単離収率90%(125.3mg)で単離した。結果を表2に示す。
<Example 2-3>
The reaction was carried out under the same conditions as in Example 2-1, except that the thiol in Example 2-1 was changed to 174.2 μL (2 equivalents relative to the substrate) of 1-octanethiol (hereinafter also referred to as "OT"), to obtain a mixed product containing S-octyl-3-phenylpropanethioester (hereinafter also referred to as "OPT"). The yields of the raw material substrate that remained unreacted and the target product OPT were calculated to be 0% and 98% (corresponding to 136.4 mg), respectively. In addition, the mixed product was purified using a column and isolated with an isolation yield of 90% (125.3 mg). The results are shown in Table 2.
<実施例2-4>
実施例2-1の原料基質を、安息香酸(以下、「BA」とも記載する)61.1mg(0.5mmol)に変更したこと以外は、実施例2-1と同じ条件で反応を行い、S-(p-トリル)-ベンゾチオエステル(以下、「TBT」とも記載する)を含む混合生成物を得た。反応せずに残った原料基質と目的生成物であるTBTの収率を算出したところ、それぞれ50%、44%(50.2mgに相当)であった。また、混合生成物をカラム精製し、単離収率44%(49.8mg)で単離した。結果を表2に示す。
<Example 2-4>
The reaction was carried out under the same conditions as in Example 2-1, except that the raw material substrate in Example 2-1 was changed to 61.1 mg (0.5 mmol) of benzoic acid (hereinafter also referred to as "BA"), to obtain a mixed product containing S-(p-tolyl)-benzothioester (hereinafter also referred to as "TBT"). The yields of the raw material substrate remaining unreacted and the target product TBT were calculated to be 50% and 44% (corresponding to 50.2 mg), respectively. In addition, the mixed product was purified by column and isolated with an isolation yield of 44% (49.8 mg). The results are shown in Table 2.
<実施例2-5>
実施例2-2の原料基質を、安息香酸(BA)61.1mg(0.5mmol)に変更したこと以外は、実施例2-1と同じ条件で反応を行い、S-ヘプチルベンゾチオエステル(以下、「HBT」とも記載する)を含む混合生成物を得た。反応せずに残った原料基質と目的生成物であるHBTの収率を算出したところ、それぞれ0%、97%(114.6mgに相当)であった。また、混合生成物をカラム精製し、単離収率94%(111.1mg)で単離した。結果を表2に示す。
<Example 2-5>
The reaction was carried out under the same conditions as in Example 2-1, except that the raw material substrate in Example 2-2 was changed to 61.1 mg (0.5 mmol) of benzoic acid (BA), to obtain a mixed product containing S-heptyl benzothioester (hereinafter also referred to as "HBT"). The yields of the raw material substrate remaining unreacted and the target product HBT were calculated to be 0% and 97% (corresponding to 114.6 mg), respectively. In addition, the mixed product was purified by column purification and isolated with an isolation yield of 94% (111.1 mg). The results are shown in Table 2.
<実施例2-6>
実施例2-3の原料基質を、安息香酸(BA)61.1mg(0.5mmol)に変更したこと以外は実施例2-1と同じ条件で反応を行い、S-オクチルベンゾチオエステル(以下、「OBT」とも記載する)を含む混合生成物を得た。反応せずに残った原料基質と目的生成物であるOBTの収率を算出したところ、それぞれ0%、100%(124.2mgに相当)であった。また、混合生成物をカラム精製し、単離収率100%(125.0mg)で単離した。結果を表2に示す。
<Example 2-6>
The reaction was carried out under the same conditions as in Example 2-1, except that the raw substrate in Example 2-3 was changed to 61.1 mg (0.5 mmol) of benzoic acid (BA), to obtain a mixed product containing S-octylbenzothioester (hereinafter also referred to as "OBT"). The yields of the raw substrate remaining unreacted and the target product OBT were calculated to be 0% and 100% (corresponding to 124.2 mg), respectively. In addition, the mixed product was purified by column purification and isolated with an isolation yield of 100% (125.0 mg). The results are shown in Table 2.
<実施例2-7>
基質であるベンズアルデヒド(以下、「BDA」とも記載する)53.1mg(0.5mmol)、monolith-SO3H触媒53.1mg(100質量%)、1,3-プロパンジチオール(以下、「PDT」とも記載する)100.2μL(基質に対して2当量)およびトルエン1mLを乾燥させた試験管に投入した。その後、アルゴンバルーンを装着し、アルゴン雰囲気下に置換した後、反応温度を120℃に設定し、72時間撹拌して反応させた。
<Example 2-7>
53.1 mg (0.5 mmol) of benzaldehyde (hereinafter also referred to as "BDA") as a substrate, 53.1 mg (100 mass%) of monolith-SO 3 H catalyst, 100.2 μL (2 equivalents relative to the substrate) of 1,3-propanedithiol (hereinafter also referred to as "PDT"), and 1 mL of toluene were placed in a dried test tube. After that, an argon balloon was attached and the atmosphere was replaced with argon, and the reaction temperature was set to 120°C and the reaction was carried out with stirring for 72 hours.
その後、得られた反応液に酢酸エチルを添加し、綿栓を用いてろ過することにより、monolith-SO3H触媒を除去した反応ろ液を得た。トルエン、酢酸エチルを減圧留去し、得られた反応残渣を重クロロホルムに溶解させ、内標準物質として1,1,2,2-テトラクロロエタン(0.5mmol)を添加して、1HNMRを測定することによって、反応せずに残った原料基質と目的生成物である2-フェニル-1,3-ジチアン(以下、「PDT」とも記載する)の収率を算出したところ、それぞれ0%、91%(89.3mgに相当)であった。また、混合生成物をカラム精製し、単離収率89%(87.2mg)で単離した。結果を表2に示す。 Thereafter, ethyl acetate was added to the reaction solution obtained, and the mixture was filtered using a cotton plug to obtain a reaction filtrate from which the monolith-SO 3 H catalyst had been removed. Toluene and ethyl acetate were distilled off under reduced pressure, and the reaction residue obtained was dissolved in deuterated chloroform, to which 1,1,2,2-tetrachloroethane (0.5 mmol) was added as an internal standard substance. By measuring 1 H NMR, the yields of the raw material substrate remaining unreacted and the target product 2-phenyl-1,3-dithiane (hereinafter also referred to as "PDT") were calculated to be 0% and 91% (corresponding to 89.3 mg), respectively. In addition, the mixed product was purified using a column, and isolated with an isolation yield of 89% (87.2 mg). The results are shown in Table 2.
このように、実施例の方法は、製造操作が簡便であり、廃棄物の量を低減することができ、かつ持続可能性のある方法である。 As such, the method of the embodiment is a method that is easy to manufacture, reduces waste, and is sustainable.
1 骨格相、2 空孔相、10 共連続構造体、11 矩形状画像領域、12 骨格部、13 マクロポア、21 骨格表面、22a,22b,22c,22d,22e 突起体。 1 Skeleton phase, 2 Pore phase, 10 Bicontinuous structure, 11 Rectangular image area, 12 Skeleton, 13 Macropores, 21 Skeleton surface, 22a, 22b, 22c, 22d, 22e Protrusions.
Claims (3)
前記固体酸触媒は、非粒子状有機多孔質強酸性カチオン交換体であることを特徴とするカルボン酸チオエステルの製造方法。 A method for producing a carboxylic acid thioester, comprising reacting a carboxylic acid with a thiol in the presence of a solid acid catalyst to produce a carboxylic acid thioester, the method comprising the steps of:
The method for producing a carboxylic acid thioester, wherein the solid acid catalyst is a non-particulate organic porous strongly acidic cation exchanger .
前記非粒子状有機多孔質強酸性カチオン交換体のカチオン交換容量は、1mg当量/gより大きいことを特徴とするカルボン酸チオエステルの製造方法。 A method for producing the carboxylic acid thioester according to claim 1, comprising the steps of:
The method for producing a carboxylic acid thioester, wherein the non-particulate organic porous strongly acidic cation exchanger has a cation exchange capacity of more than 1 mg equivalent/g.
前記非粒子状有機多孔質強酸性カチオン交換体は、連続骨格相と連続空孔相とからなり、連続骨格の厚みは、1~100μmの範囲であり、連続空孔の平均直径は、1~1000μmの範囲であり、全細孔容積は、0.5~50mL/gの範囲であり、乾燥状態での重量当りのカチオン交換容量は、1~5mg当量/gの範囲であり、カチオン交換基が前記非粒子状有機多孔質強酸性カチオン交換体中に分布している非粒子状有機多孔質強酸性カチオン交換体であることを特徴とするカルボン酸チオエステルの製造方法。 A method for producing a carboxylic acid thioester according to claim 1 or 2 , comprising the steps of:
The non-particulate organic porous strongly acidic cation exchanger comprises a continuous skeleton phase and a continuous pore phase, the thickness of the continuous skeleton being in the range of 1 to 100 μm, the average diameter of the continuous pores being in the range of 1 to 1000 μm, the total pore volume being in the range of 0.5 to 50 mL/g, and the cation exchange capacity per weight in a dry state being in the range of 1 to 5 mg equivalent/g, and the cation exchange groups being distributed throughout the non-particulate organic porous strongly acidic cation exchanger.
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