説明

ポリボラジレンの再生

【課題】燃料電池に用いられる水素貯蔵材、特にポリボラジレンからのアンモニアボランの再生方法を提供する。
【解決手段】ポリボラジレンを供給する段階;ジチオール含有薬剤を用いて前記ポリボラジレンを分解して、ホウ素−スルフィド化合物及び副生成物を生成する段階;第一のアルキル−水素化スズを用いた反応によって、前記副生成物を(b)段階のホウ素−スルフィド生成物に転換する段階;及び第二のアルキル−水素化スズを用いた反応によって、(b)段階及び(c)段階で生成されたホウ素−スルフィド化合物をアンモニアボランに転換する段階、からなる、アンモニアボランの製造方法。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
関連出願との相互参照
本願は、2008年1月16日付けで出願され、そしてその全体が本願に組み込まれている米国暫定特許出願第61/011404号を優先権の基礎としている。
【0002】
連邦権利の陳述
アメリカ合衆国政府は、アメリカ合衆国エネルギー部門(United States Department of Energy)と、ロス アラモス ナショナル ラボラトリー(Los Alamos National Laboratory)の営業のためのロス アラモス ナショナル セキュリティ社(Los Alamos National Security,LLC)との間の契約番号DE−AC52−06NA25396に基づき本発明における権利を有する。
【0003】
本発明の分野
本発明は、燃料電池に用いられる水素貯蔵材料の再生に、特にポリボラジレンからのアンモニアボランの再生に関する。
【背景技術】
【0004】
本発明の背景
別のエネルギー源を実現する上で、特に運搬部門において必要な目的は、エネルギー発生燃料電池への制御された供給のための水素貯蔵である。化学的水素貯蔵は、その高い水素質量能力(gravimetric capacity of hydrogen)(19.6wt%)と低い分子量(30.7gmol−1)のために望ましい材料である、アンモニアボラン(HB−NH、又は“AB”)が優位である。実質的に吸熱性であるCからのHの放出とは対照的に、ABは、Hがたやすく放出され得る材料を与える水素化部分とプロトン性部分の両方を有している。そのため、多数の文献が、適用された方法に応じて種々の比率を与えるアミンボランからのH放出について記載している。
【0005】
いずれの化学的水素貯蔵系の実現可能性も、効率的な再生可能性に強く依存しているが、後者の事項についての報告は僅かであり、高エネルギーの還元剤を使用しなければならず、且つ、低収率である。それ故、エネルギー効率が良く、高い収率を有し、そして最少数の段階しか必要としない、Hを消耗したABからの使用済み燃料のためのエネルギー効率の良い再生法の必要性がある。
【0006】
使用済み水素燃料の組成は、それが生成される脱水素化法に依存する。これまで、多大の努力によって金属をベースとした触媒が使用されてきた。金属ベースの触媒は、ABから放出される一当量のHについて最速の割合を生み出し、2.5当量以下のHが2時間以内に生じ得る。一般的且つ最も望ましい、金属をベースとした触媒によるアンモニアボランからの水素発生の生成物は、ポリボラジレン(“PB”)である。
【発明の概要】
【0007】
発明の概要
本発明は、熱力学的に安定なB−O結合の形成を回避する試薬、特にチオール及びアミンを用いることによって、前述の要件及びその後の高エネルギー還元剤についての要件に合致する。チオールは、類似のB−O結合よりも弱いB−S結合を形成する。アミンは、ポリボラジレンからB−H部分を抽出し得る。さらには、S−H部分の酸性度は、より効率的な反応を促進し得る。
【0008】
以下、本発明の幾つかの限定されない態様について記載する。
第一の態様に従うと、ポリボラジレンを供給する段階;芳香族ジチオール含有薬剤を用いて前記ポリボラジレンを分解して、ホウ素−スルフィド化合物及び副生成物を生成する段階;第一のアルキル−水素化スズを用いた反応によって、前記副生成物を(b)段階のホウ素−スルフィド生成物に転換する段階;及び第二のアルキル−水素化スズを用いた反応によって、(b)段階及び(c)段階で生成されたホウ素−スルフィド化合物をアンモニアボランに転換する段階からなる、アンモニアボランの製造方法が提供される。
【0009】
第二の態様に従うと、ポリボラジレンを供給する段階;ジチオール化合物を用いて前記ポリボラジレンを分解して、ホウ素−ジスルフィド化合物及び副生成物を生成する段階;トリアルキル金属水素化物を用いた反応によって、前記副生成物を(b)段階の前記ホウ素−ジスルフィド生成物に転換する段階;及びジアルキル金属水素化物を用いた反応によって、(b)段階及び(c)段階で生成された前記ホウ素−ジスルフィド化合物をアンモニアボランに転換する段階からなる、前記ポリボラジレンの少なくとも60%がアンモニアボランに転換される、アンモニアボランの製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【0010】
図面の簡単な説明
【図1】図1は、本発明の方法の図解図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
本発明の詳細な記載
本発明は、アンモニアボランの製造方法、より特に、ポリボラジレンからアンモニアボランを再生する方法について記載する。
本発明におけるポリボラジレン(PB)は、以下の構造:

を有している。
PBは、例えば、アンモニアボラン(AB)の脱水素化により生成され得る。ABの脱水素化は種々の手段により生じ得、その一例は、アルカリ金属触媒による触媒作用である。
【0012】
本発明は、以下の段階からなり、生じる生成物は図1に示される構造に対応している。

第一段階:
PB+R−SH(チオール)→ R−S−B(H−NH)+副生成物
| | |
SH S――――
或いは;
PB+R−(NH)(アミン)→ R−NH−B(H−NH)+副生成物
| | |
(NH) NH――――
或いは;
PB+R−NH(チオールアミン)→ R−NH−(B(H−NH))+副生成物
| | |
SH S――――――
第二段階:
副生成物+第一のアルキル金属水素化物還元剤 → R−S−BH−NH
第三段階:
R−S−BH−NH+第二のアルキル金属水素化物還元剤 → AB

Rは、H、CないしCのアルキル部分(アルカン、アルケン又はアルキン)、CないしCの環状炭化水素、CないしCのアリール部分(即ち、CないしCの芳香族チオール)、又はそれらの組合せを表し得る。ここで、アリール基は、単純な芳香族環から誘導されたいかなる官能基又は置換基も含むと理解される。一の態様において、チオールはジチオールであり、そしてRはアリール基を表す(即ち、芳香族ジチオールである)。一の態様において、チオールは、チオフェノール、ベンゼンジチオール、トルエン−3,4−ジチオール、及びそれらの組合せからなる群より選択される。一の態様において、チオールはベンゼンジチオールである。同様に、アミンは、CないしCの環状炭化水素又はCないしCのアリール部分を含み得る。適したアミンの一例は、1,2−ジアミノベンゼンである。或いは、チオールアミンは、本方法の第一段階で用いられ得、1つの非限定的な例は、1−アミノ−2−チオベンゼン(o−チオアニリン)である。
【0013】
副生成物は[NH][B(C]を包含するが、該副生成物の正確な構造は様々であり得る。第二段階において、副生成物は還元されて、付加的なR−S−BH−NHを形成し、これによって本方法の効率が非常に向上する。適した還元剤の一例は、アルキル金属水素化物である。アルキル部分は、CないしCアルキル部分であり得、好ましくはブチル基であり得る。適した金属の一例はSnである。或いは、還元剤はシランであり得、その適した一例は、(CHCH−Si−Hである。
【0014】
第一の及び第二のアルキル金属水素化物還元剤は、水素源でなければならず、そして適度に反応性でなければならず、このことは、ホウ素が水素化ホウ素に過剰還元されず、且つ十分な全収率が得られることを意味する。適した第一のアルキル金属水素化物還元剤の一の非限定的な例は、トリブチル水素化スズ、又はBuSnHである。適した第二のアルキル金属水素化物の一の非限定的な例は、ジブチル二水素化スズ、又はBuSnHである。双方の還元剤は、反応剤に対して僅かにモル過剰で用いられる。
【0015】
本方法の収率は、最終的にアンモニアボランに転換されるポリボラジレンのパーセンテージに関わると理解される。一の態様において、収率は、少なくとも60%、或いは少なくとも65%、或いは少なくとも70%である。一の態様において、収率は、およそ60%ないしおよそ99%であり、或いはおよそ65%ないしおよそ95%である。
【実施例】
【0016】
実施例
実施例1:ポリボラジレンとジチオールとの反応
ベンゼンジチオール及びPBをTHF中で還流すると、12時間後の11BNMR分光によって、PBの大部分が反応して2つの新規な共鳴が得られたことが明らかとなった。独立合成並びに理論的に算出された数値との比較によって(DFT)、高磁場共鳴(δ−5.6,d,B−H=128Hz)を(C)B−H・(NH)と同定した(補足情報を参照されたし)。低磁場共鳴(δ10.5ppm,s)は、[NH][B(C]が形成されたことを示唆するLi[B(C]と同様の化学シフト値を示した。この生成物を、独立して、(C)B−H・(NH)とベンゼンジチオールとの反応を介して生成するための試みについては、操作条件下(冷凍/送出/解凍サイクルによる熱及びガス除去)であっても、その純粋材料を得ることはできなかった。文献手順に従い、Li[B(C]を独立して調製し、そして11BNMRにより試験すると、文献で報告されたもの(δ12.1ppm)とは反対に、同様の共鳴(10.5ppm)が観察された。両方の共鳴はまた、付随したH形成と共に、ボラジンとベンゼンジチオールとの反応において観察された。このことは、ベンゼンジチオールがボラジンよりも早く生成物(C)B−H・(NH)と反応し、スキーム1に示されるように水素を放出したことを示唆する。
【0017】
実施例2:アンモニアボランの生成
すべての反応は、不活性雰囲気下、標準のシュリンクライン及びグローブボックス技術を用いて行った。エーテル溶媒及びトルエンをNa/ベンゾフェノンケチルラジカルから蒸留した。ブルカー アヴァンス(Bruker AVANCE;登録商標)400MHz分光計にて、室温において(示されない限り)、H、11B(128MHz)、及び119Sn(149MHz)NMRスペクトルを記録した。Hスペクトルを溶媒中の残存プロトンに対する参照とし、そして119SnNMRをMeSnに対する参照とした。11BNMRをシュテム コアクシャル インサート(ウィルマド(Wilmad))内のBF・エーテルに対する参照とした。すべての重水素化された溶媒をケンブリッジ アイソトープ(Cambridge Isotope;登録商標)(アンドバー(Andover),MA)から購入した。使用に先立って、1,2−ベンゼンジチオール(96%,アクロス(Acros;登録商標))を昇華させ、冷却保存した。正確な濃度を算出するために、1,2−ベンゼンジチオール溶液を用いて、THF中の1MBH・THF(アクロス)を滴定した。アルドリッヒ ケミカル カンパニー(Aldrich Chemical Company;登録商標)から受け取った1,4−ジオキサン中のNHを用いた。ゲレスト(Gelest;登録商標)から受け取ったボラジンのゆっくりとした分解によって、ポリボラジレン(PB)を形成させた。すべての他の試薬は、アクロスより得、そして用いた。BH・THF及びベンゼンジチオールを用いたことを唯一の変更としながら、S.W.Hadebe,R.S.Robinson,Eur.J.Org.Chem.2006,第21巻,第4898頁に記載されるとおり、1,3,2−ベンゾジチアボロールをその場で合成した[13]。A.G.Hernan,P.N.Horton,M.B.Hursthouse,J.D.Kilburn,J.Organomet.Chem.2006,第691巻,第1466頁に記載される方法に従い、BuSnHを調製し、蒸留し、そして−20℃にて暗所中に保管した。
【0018】
1:1,3,2−ベンゾジチアボロール(0.07mmol)を1,4−ジオキサン(300μL,0.15mmol)中の0.5M NHと併せ、そして真空下に溶媒を除去して、白色固体の(C)B−H・NHを得た(0.009g,76%)。
HNMR(THF):δ7.15(m,2H),6.79(m,2H),5.2(bs,3.6H)。
11BNMR(THF):δ−5.6(128Hz)。
2:BuSnH(0.041g,0.141mmol)をベンゼンジチオールと併せた(0.020g,0.141mmol)。12時間後、HNMRがSn−H共鳴の消費を示し、そして119SnNMRが(CSH(SSnBu))構造,2に一致する単一の新規なピークを明らかにした。
119SnNMR(THF):δ84.8。
3:BuSnH(0.168g,0.717mmol)をベンゼンジチオール(0.102g,0.717mmol)と併せ、そして一晩攪拌した。真空下に揮発物を除去して、白色固体のBuSn(C),3を得た(0.262g,98%)。
HNMR(C):δ7.5(m,2H),6.7(m,2H),1.5(m,3.5H),1.3(m,3.6H),1.2(m,4.4H),0.8(t,6H)。
119SnNMR(THF):δ116。
【0019】
1及び1,2−ベンゼンジチオールからの[NH][B(C]。
1(0.018g,0.106mmol)、1,2−ベンゼンジチオール(0.015g,0.106mmol)、及びTHFをおよそ60℃にて数日間加熱した。11BNMRは、新規のホウ素含有種が、1を単独で加熱して観察したよりもずっと大きく10.5ppmにて新規の一重項とともに形成したことを示した。同様のシフトが、12.1ppmでのLiB(Cに関する文献に見られる(J.Knizek,H.Noth,J.Organomet.Chem.v.614−615(2000),第168頁ないし第187頁)。LiBHとベンゼンジチオールとの反応を繰り返すと、10.5での一重項(BF−エーテル化物に対する参照)が得られた。
【0020】
ポリボラジレンからのABの再生
PB(0.049g,0.61mmol)をTHFに溶解し、そして1,2−ベンゼンジチオール(0.260g,1.83mmol)と併せた。これを60℃にて一晩加熱した。11BNMRは、PBの消費と、1及び[NH][B(C]に対応する2つの新規ピークの形成を示した。過剰のBuSn−H(240μL,0.9mmol)を添加して、[NH][B(C]を1に還元し、そして未反応のベンゼンジチオールを3に転換した。この溶液を60℃に加熱し、その後、BuSnH(1020μL,4.86mmol)を40分以上にわたり4回分添加し、1をABに還元し(0.038g,67%)、トルエンで抽出することによって単離した。
【0021】
ボラジンと1,2−ベンゼンジチオールとの反応
ボラジン(0.015g,0.186mmol)と1,2−ベンゼンジチオール(0.080g,0.559mmol)をTHF中で併せ、そして65℃にて一晩加熱した。得られた11B NMRは、10.5ppm(s)及び5.6ppm(d,128Hz)の2つの共鳴を明らかにした。ヘッドスペースガスをGCによりサンプリングすると、対照試料(ボラジン及び溶媒のみ)と比べより多くのHガスが検出された。
【0022】
本発明のすべての態様において、すべてのパーセンテージは、特に記載されない限り、全組成の質量による。すべての比は、特に記載されない限り、質量比である。範囲は、包括的且つ結合的である。すべての数量は、特に示されない限り、“およそ”なる用語により修飾されるものと理解されるべきである。本願の発明の詳細な説明に引用されるすべての文献は、関連部分において参照として本願明細書に組み込まれており、いかなる文献の引用も、本発明に関する従来技術であると解釈されるべきではない。本願明細書中の用語のいずれかの意味又は定義が、参照により本願明細書に組み込まれている文献中の同様の用語のいずれかの意味又は定義と不一致である場合においては、その意味又は定義は、本願明細書中の用語が優先されるべきである。
本発明の特定の態様が示されそして記載されているが、本発明の精神及び目的から逸脱することなく、種々の他の変化及び改変が為され得ることは、当業者に明らかである。それ故、本発明の目的内であるすべてのそのような変化及び改変が特許請求の範囲に含まれている。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
(a)ポリボラジレンを供給する段階;
(b)ジチオール含有薬剤を用いて前記ポリボラジレンを分解して、ホウ素−スルフィド化合物及び副生成物を生成する段階;
(c)第一のアルキル−水素化スズを用いた反応によって、前記副生成物を(b)段階のホウ素−スルフィド生成物に転換する段階;及び
(d)第二のアルキル−水素化スズを用いた反応によって、(b)段階及び(c)段階で生成されたホウ素−スルフィド化合物をアンモニアボランに転換する段階
からなる、アンモニアボランの製造方法。
【請求項2】
前記ジチオール含有薬剤は、アリール部分を含有する、請求項1に記載の方法。
【請求項3】
前記ジチオール含有薬剤は、ベンゼンジチオール、トルエン−3,4−ジチオール及びそれらの組み合せからなる群より選択される、請求項2に記載の方法。
【請求項4】
前記チオール含有薬剤は、ベンゼンジチオールである、請求項3に記載の方法。
【請求項5】
前記アンモニアボランは、アンモニアボランとスズをベースとした還元剤との反応によって製造される、請求項1に記載の方法。
【請求項6】
前記副生成物は、[NH][B(C]を包含する、請求項1に記載の方法。
【請求項7】
前記第一のアルキル−水素化スズは、トリブチル−水素化スズである、請求項1に記載の方法。
【請求項8】
前記第二のアルキル−水素化スズは、ジブチル−二水素化スズである、請求項1に記載の方法。
【請求項9】
前記ポリボラジレンの少なくとも60%がアンモニアボランに転換される、請求項1に記載の方法。
【請求項10】
(a)ポリボラジレンを供給する段階;
(b)芳香族ジチオール化合物を用いて前記ポリボラジレンを分解して、ホウ素−ジスルフィド化合物及び副生成物を生成する段階;
(c)トリアルキル金属水素化物を用いた反応によって、前記副生成物を(b)段階の前記ホウ素−ジスルフィド生成物に転換する段階;及び
(d)ジアルキル金属水素化物を用いた反応によって、(b)段階及び(c)段階で生成された前記ホウ素−ジスルフィド化合物をアンモニアボランに転換する段階
からなり、前記ポリボラジレンの少なくとも60%がアンモニアボランに転化される、アンモニアボランの製造方法。
【請求項11】
前記芳香族ジチオール化合物は、ベンゼンジチオールである、請求項10に記載の方法。
【請求項12】
前記芳香族ジチオール化合物は、トルエン−3,4−ジチオールである、請求項10に記載の方法。
【請求項13】
前記アンモニアボランは、アンモニアボランとスズをベースとした還元剤との反応によって生成される、請求項10に記載の方法。
【請求項14】
前記副生成物は、[NH][B(C]を包含する、請求項10に記載の方法。
【請求項15】
前記トリアルキル金属水素化物は、トリブチル−水素化スズである、請求項10に記載の方法。
【請求項16】
前記ジアルキル金属水素化物は、ジブチル−二水素化スズである、請求項10に記載の方法。

【図1】
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【公表番号】特表2011−509912(P2011−509912A)
【公表日】平成23年3月31日(2011.3.31)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−543126(P2010−543126)
【出願日】平成21年1月14日(2009.1.14)
【国際出願番号】PCT/US2009/000213
【国際公開番号】WO2009/091537
【国際公開日】平成21年7月23日(2009.7.23)
【出願人】(507128229)ロス アラモス ナショナル セキュリティ,リミテッド ライアビリテイ カンパニー (9)