説明

温度制御により水と可逆的に相溶/相分離を示すイオン液体

【課題】水と下限臨界溶解温度を示し相分離挙動をとる、新たなイオン液体を提供する。
【解決手段】下記一般式(1)で示される第四級塩化合物であるイオン液体。
【化1】


[式中、Aは窒素原子または燐原子を有する第四級カチオンであり、アニオン部は、カルボキシル基を有する疎水性アニオン(Yは低級アルキル基)である。]

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は第四級塩化合物である有機イオン液体に関する。詳しくは、水と下限臨界溶解温度を示す相分離挙動を示し、温度制御で反応抽出プロセスの制御が可能な各種合成反応の溶媒や分離・抽出溶媒、酵素反応溶媒として応用することができる有機イオン液体に関する。
【背景技術】
【0002】
イオン液体とはイオン性液体とも呼ばれる融点が100℃程度以下の塩の総称であり、水、有機溶媒に次ぐ第三の溶媒として注目を集めている(例えば、非特許文献1)。イオン液体はイオン液体形成に有利なカチオンとアニオンを組み合わせて合成される。これまで用いられてきたカチオンにはイミダゾリウムカチオン、アルキルアンモニウムカチオン、アルキルホスホニウムカチオンなどがあり、アニオンとしては、BF4、PF6、トリフレートアニオン(CF3SO3)、イミドアニオン((CF3SO3)2N)、CH3COO、CF3COO、NO3、(CN)2Nなどがある。
【0003】
それらのイオン液体の特徴として、液体状態を保つ温度範囲が数百度と極めて広いこと、液体でありながら蒸気圧がほとんどないため、不揮発性・不燃性であること、イオンのみからなる液体であるため高いイオン伝導度を有すること、種々の有機化合物に対して高い溶解性を有すること、イオンの組み合わせに依存するが水や汎用の有機溶媒と混和しない液相を提供できることなどがあげられる。これらの特徴に基づき、イオン液体は各種合成溶媒や分離・抽出溶媒としての応用はもちろんのこと、電解質材料(例えば、特許文献1)や酵素反応溶媒としても精力的に研究されている。
【0004】
これらの応用の中でも、各種合成溶媒としての報告は群を抜く。イオン液体の特徴は、生活環境への拡散を最小限にとどめるうえで有用であり、繰り返し利用する上でも優れているため、環境に優しい溶媒として、また従来の溶媒の代替材料として適切と考えられてきている。これまでに、Friedel−Crafts反応、Diels−Alder反応、Heck反応、Beckmann転移反応など多くの反応がイオン液体を反応溶媒に用いて検討されている(例えば、特許文献2)。
【0005】
イオン液体を反応溶媒として用いる際に、反応から分離までを一貫して行うときには、混合溶液の相挙動の可逆的な制御が重要となる。すでに圧力で相挙動を制御するイオン液体/超臨界二酸化炭素混合系や温度で制御するイオン液体/アルコールなどの系、イオン液体−KPO/水の系などが報告されている(例えば、非特許文献2)。
【0006】
従来のイオン液体を構成成分とする混合溶液の相挙動の制御の欠点としては、(1)圧力で制御するためには大掛かりな装置を必要するため、小スケール化が困難である;(2)可逆的な制御が難しい;(3)混合する液体として水を用いることが難しい;(4)混合溶液が相分離する温度を制御できないなどが挙げられる。
【0007】
これまでに温度変化によって水と相分離するイオン液体は報告されている(例えば、非特許文献3)が、相分離温度が室温以下であり、加熱によって構成成分が混合する上限臨界溶解温度を示すものしか得られていない。
【0008】
【特許文献1】特開2000−110472号公報
【特許文献2】特開2002−275118号公報
【非特許文献1】大野弘幸、「有機イオン性液体―蒸発しない極性液体―」、未来材料、2002年、第2巻第9号6〜11頁
【非特許文献2】J. M. Crosthwaite, S. N. V. K. Aki, E. J. Maginn, J. F. Brennecke, J. Phys. Chem. B, 2004, 108, 5113-5119
【非特許文献3】L. P. N. Rebelo, V. Najdanovic-Visak, Z. P. Visak, M. N. D. Ponte, J. Szydlowski, C. A. Cerdeirina, J. Troncoso, L. Romani, J. M. S. S. Esperanca, H. J. R. Guedes, H. C. D. Sousa, Green Chemistry 2004, 6, 369-381
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
本発明は、上記実情に鑑みなされたものであり、その目的は、上記の課題を解決する、水と下限臨界溶解温度を示す相分離挙動をとる、新たなイオン液体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0010】
すなわち、本発明の要旨は、下記一般式(1)で示される第四級窒素化合物および第四級燐化合物から選ばれる第四級塩化合物であるイオン液体を提供することにある。
【0011】
【化1】

[式中、カチオン部Aは、(R)N、(R)P、(ここで、R、R、RおよびRは、非置換もしくは置換された低級アルキル基)であるか、または1もしくはそれ以上の窒素原子または燐原子を環員とする非置換もしくは置換されたヘテロ環の窒素原子または燐原子にプロトンもしくはアルキル基が1つ結合したカチオンおよびその他のカチオンであり、アニオン部(ここで、Yは、非置換もしくは置換された低級アルキル基であり、Xは疎水性アニオン)は、カルボキシル基を有する疎水性アニオンである。]
【発明の効果】
【0012】
本発明によれば、水と下限臨界溶解温度を示す相分離挙動を示し、温度制御で反応抽出プロセスの制御が可能な各種合成反応の溶媒や分離・抽出溶媒、酵素反応溶媒として応用することができるイオン液体が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【0013】
以下、本発明を詳細に説明する。上記一般式(1)における、カチオン部の低級アルキル基としては、飽和の直鎖または分岐上の炭素原子1〜14個、好ましくは2〜8個、より好ましくは4〜6個を含む炭化水素残基をいう。例えばメチル、エチル、プロピル、イソプロピル、ブチル、s−ブチル、t−ブチル、ペンチル、ヘキシルなどが挙げることができ、好ましくは、エチル、プロピル、イソプロピル、ブチル、ペンチル、ヘキシルであり、より好ましくは、プロピルおよびブチルである。
【0014】
カチオン部低級アルキル基の置換基としては、ヒドロキシ、炭素数2〜8の低級アルコキシ、同アルコキシ基が置換した炭素数2〜6の低級アルキル基、アミノ基等が例示される。
【0015】
アニオン部低級アルキル基とは、飽和の直鎖または分岐上の炭素原子1〜14個、好ましくは1〜8個、より好ましくは1〜5個を含む炭化水素残基をいう。例えばメチル、エチル、プロピル、イソプロピル、ブチル、s−ブチル、t−ブチル、ペンチル、ヘキシルなどが挙げることができ、好ましくは、エチル、プロピル、イソプロピル、ブチル、ペンチル、ヘキシルであり、より好ましくは、プロピルおよびブチルである。
【0016】
アニオン部疎水性アニオンとは、メタンスルホニルイミドアニオン、エタンスルホニルイミドアニオン、トリフルオロメタンスルホニルイミドアニオン、カルボン酸アニオン等であり、より好ましくはトリフルオロメタンスルホニルイミドアニオンである。
【0017】
アニオン部低級アルキル基の置換基としては、ヒドロキシ、炭素数1〜5の低級アルコキシ、同アルコキシ基が置換した炭素数1〜5の低級アルキル基、アミノ基等が例示される。
【0018】
本発明の塩化合物であるイオン液体の製造方法としては、特に限定はないが、第四級燐化合物の一般的製造方法を示すと、次の通りである。すなわち、カチオン部のAのヒドロキシ化合物の水性溶媒に、カルボキシル基を有する疎水性の酸0.9〜1重量部、好ましくは、約1.0重量部を添加し、得られた混合溶液を氷冷下攪拌し、クロロホルムを用いて抽出する。抽出溶液を減圧留去し、所望のイオン液体としての第4級燐化合物を得る。
【実施例】
【0019】
以下、実施例により具体的に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。なお、これらの実施例におけるテトラアルキルホスホニウム水酸化物と酸の中和反応の進行は、H−NMR測定およびESI−TOF−MS、元素分析によって行い確認された。
【0020】
実施例1
塩化チオニルで活性化したメタノールをLーバリンに加え、一晩攪拌することでLーバリンメチルエステル塩酸塩を合成した。合成したLーバリンメチルエステル塩酸塩をジクロロメタン中に分散させ、トリエチルアミン存在下−78℃でトリフルオロメタンスルホン酸無水物のジクロロメタン溶液を滴下することで反応を行った。滴下後、室温で12時間攪拌を行った。反応溶液を希塩酸水溶液で中和を行い、ジクロロメタンを留去、ジエチルエーテルを用いて抽出することでトリフルオロメタンスルホニルバリンメチルエステルを得た。トリフルオロメタンスルホニルバリンメチルエステルに1N水酸化ナトリウム水溶液を加え、0℃で5時間攪拌後、陽イオン交換樹脂(H型)に通し、トリフルオロメタンスルホニルバリンを得た。トリフルオロメタンスルホニルバリン1.5gに小過剰量のテトラブチルホスホニウム水酸化物水溶液を加え、クロロホルムを用いて水相から抽出を行うことで、テトラブチルホスホニウムトリフルオロメタンスルホニルバリン塩2.0(収率65%)を得た。
【0021】
H−NMR(400MHz,CDCl,δ/ppmTMS基準):0.96(m,J=38Hz,18H),1.52(m,J=11.2Hz,16H),2.25(m,J=10.8Hz,1H),2.34(m,J=14.4Hz,8H),3.78(s,1H)
ESI−TOF−MS:[C1636P][CNOSF
positive ion[C1636P]:理論値m/z=259.43;測定値:259.26
negative ion[CNOSF]:理論値m/z=248.20;測定値:248.19
元素分析:C2245NFPS
理論値:C,52.05;H,8.94;N,2.76;F,11.23;O,12.61;P,6.10;S,10.79
測定値:C,52.14;H,8.94;N,2.50
分解温度:274℃
【0022】
実施例2
塩化チオニルで活性化したメタノールをLーロイシンに加え、一晩攪拌することでLーロイシンメチルエステル塩酸塩を合成した。合成したLーロイシンメチルエステル塩酸塩をジクロロメタン中に分散させ、トリエチルアミン存在下−78℃でトリフルオロメタンスルホン酸無水物のジクロロメタン溶液を滴下することで反応を行った。滴下後、室温で12時間攪拌を行った。反応溶液を希塩酸水溶液で中和を行い、ジクロロメタンを留去、ジエチルエーテルを用いて抽出することでトリフルオロメタンスルホニルロイシンメチルエステルを得た。トリフルオロメタンスルホニルロイシンメチルエステルに1N水酸化ナトリウム水溶液を加え、0℃で5時間攪拌後、陽イオン交換樹脂(H型)に通し、トリフルオロメタンスルホニルロイシンを得た。トリフルオロメタンスルホニルロイシン1.0gに小過剰量のテトラブチルホスホニウム水酸化物水溶液を加え、クロロホルムを用いて水相から抽出を行うことで、テトラブチルホスホニウムトリフルオロメタンスルホニルロイシン塩1.4(収率71%)を得た。
【0023】
H−NMR(500MHz,CDCl,δ/ppmTMS基準):1.02(m,J=53.5Hz,18H),1.52(t,J=3Hz,16H),1.66(m,J=36.5Hz,2H),1.92(m,J=20Hz,1H),2.31(s,8H),3.90(q,J=6Hz,1H)
ESI−TOF−MS:[C1636P][C11NOSF
positive ion[C1636P]:理論値m/z=259.43;測定値:259.26
negative ion[C11NOSF:理論値m/z=262.23;測定値:262.22
元素分析:C2347NFPS
理論値:C,52.96;H,9.08;N,2.69;F,10.93;O,12.27;P,5.94;S,6.15
測定値:C,52.91;H,8.73;N,2.52
分解温度:257℃
【0024】
得られたテトラブチルホスホニウムトリフルオロメタンスルホニルロイシン塩と水の混合溶液の相分離挙動を図1に示す。イオン液体層は赤色色素ナイルレッドによって着色した。攪拌しながら、混合溶液の温度を下げることで(左から25度、23度、22.5度、22度)均一に溶解し、加温することで(図1 左から5番目)再び二相に分離することが分かる。
【0025】
実施例3
塩化チオニルで活性化したメタノールをLーイソロイシンに加え、一晩攪拌することでLーイソロイシンメチルエステル塩酸塩を合成した。合成したLーイソロイシンメチルエステル塩酸塩をジクロロメタン中に分散させ、トリエチルアミン存在下−78℃でトリフルオロメタンスルホン酸無水物のジクロロメタン溶液を滴下することで反応を行った。滴下後、室温で12時間攪拌を行った。反応溶液を希塩酸水溶液で中和を行い、ジクロロメタンを留去、ジエチルエーテルを用いて抽出することでトリフルオロメタンスルホニルイソロイシンメチルエステルを得た。トリフルオロメタンスルホニルイソロイシンメチルエステルに1N水酸化ナトリウム水溶液を加え、0℃で5時間攪拌後、陽イオン交換樹脂(H型)に通し、トリフルオロメタンスルホニルイソロイシンを得た。トリフルオロメタンスルホニルイソロイシン1.0gに小過剰量のテトラブチルホスホニウム水酸化物水溶液を加え、クロロホルムを用いて水相から抽出を行うことで、テトラブチルホスホニウムトリフルオロメタンスルホニルイソロイシン塩1.6(収率80%)を得た。
【0026】
H−NMR(400MHz,CDCl,δ/ppmTMS基準):0.89(t,J=7.6Hz,3H),0.97(m,J=16.4Hz,15H),1.24(m,J=13.2Hz,1H),1.52(m,J=2.4Hz,17H),1.92(m,J=0.6Hz,1H),2.30(t,J=12.8Hz,8H),3.83(t,J=0.8Hz,1H)
ESI−TOF−MS:[C1636P][C11NOSF
positive ion[C1636P]+:理論値m/z=259.43;測定値:259.27
negative ion[C11NOSF]-:理論値m/z=262.23;測定値:262.22
元素分析:C2347NFPS
理論値:C,52.96;H,9.08;N,2.69;F,10.93;O,12.27;P,5.94;S,6.15
測定値:C,52.88;H,9.31;N,2.53
分解温度:267℃
【0027】
実施例4
塩化チオニルで活性化したメタノールをLーフェニルアラニンに加え、一晩攪拌することでLーフェニルアラニンメチルエステル塩酸塩を合成した。合成したLーフェニルアラニンメチルエステル塩酸塩をジクロロメタン中に分散させ、トリエチルアミン存在下−78℃でトリフルオロメタンスルホン酸無水物のジクロロメタン溶液を滴下することで反応を行った。滴下後、室温で12時間攪拌を行った。反応溶液を希塩酸水溶液で中和を行い、ジクロロメタンを留去、ジエチルエーテルを用いて抽出することでトリフルオロメタンスルホニルフェニルアラニンメチルエステルを得た。トリフルオロメタンスルホニルフェニルアラニンメチルエステルに1N水酸化ナトリウム水溶液を加え、0℃で5時間攪拌後、陽イオン交換樹脂(H型)に通し、トリフルオロメタンスルホニルフェニルアラニンを得た。トリフルオロメタンスルホニルフェニルアラニン1.0gに小過剰量のテトラブチルホスホニウム水酸化物水溶液を加え、クロロホルムを用いて水相から抽出を行うことで、テトラブチルホスホニウムトリフルオロメタンスルホニルフェニルアラニン塩1.3(収率70%)を得た。
【0028】
H−NMR(400MHz,CDCl,δ/ppmTMS基準):0.97(t,J=7.2Hz,12H),1.49(m,J=3.6Hz,16H),2.25(m,J=12.8Hz,8H),3.19(m,J=21.8Hz,2H),4.17(t,J=4.4Hz,1H),7.24(m,J=41Hz,5H)
ESITOFMS:[C1636P][C10NOSF]
positive ion[C1636P]:理論値m/z=259.43;測定値:259.27
negative ion[C10NOSF]:理論値m/z=296.24;測定値:296.23
元素分析:C2645NFPS
理論値:C,56.20;H,8.16;N,2.52;F,10.26;O,11.52;P,5.57;S,5.77
測定値:C,55.99;H,8.20;N,2.39
分解温度:240℃
【0029】
実施例5
実施例2の方法で合成したトリフルオロメタンスルホニルロイシン1.0gに陰イオン交換樹脂(水酸化物型)を用いて作成した小過剰量のトリブチルオクチルホスホニウム水酸化物水溶液を加え、クロロホルムを用いて水相から抽出を行うことで、トリブチルオクチルホスホニウムトリフルオロメタンスルホニルロイシン塩1.7(収率77%)を得た。
【0030】
H−NMR(400MHz,CDCl3,δ/ppmTMS基準):0.94(m,J=29.4Hz,18H),1.31(m,J=13.2Hz,8H),1.52(m,J=4Hz,17H),1.68(m,J=13.2Hz,1H),1.91(m,J=13.6Hz,1H),2.37(m,J=20.4Hz,8H),3.85(t,J=5.6Hz,1H)
ESI−TOF−MS:[C2044P][C11NOSF]
positive ion[C2044P]:理論値m/z=315.54;測定値:315.31
negative ion[C11NOSF]:理論値m/z=262.23;測定値:262.22
分解温度:259℃
【0031】
実施例1〜5で得られたイオン液体に対して、添加する水の量を変化させた際に均一溶液から二相に分離する温度を測定した結果を、図2に示す。
【産業上の利用可能性】
【0032】
本発明により提供されるイオン液体は、水と下限臨界溶解温度を示す相分離挙動を示し、温度制御で反応抽出プロセスの制御が可能な各種合成反応の溶媒や分離・抽出溶媒、酵素反応溶媒として応用することができる。
【図面の簡単な説明】
【0033】
【図1】実施例2で得られたイオン液体と水の混合溶液の、温度変化による相分離挙動を示す写真である。
【図2】添加する水の量を変化させた際の相分離温度を示す図である。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
下記一般式(1)で示される第四級窒素化合物および第四級燐化合物から選ばれる第四級塩化合物であるイオン液体。
【化1】

[式中、カチオン部Aは、(R)N、(R)P、(ここで、R、R、RおよびRは、非置換もしくは置換された低級アルキル基)であるか、または1もしくはそれ以上の窒素原子または燐原子を環員とする非置換もしくは置換されたヘテロ環の窒素原子または燐原子にプロトンもしくはアルキル基が1つ結合したカチオンおよびその他のカチオンであり、アニオン部(ここで、Yは、非置換もしくは置換された低級アルキル基であり、Xは疎水性アニオン)は、カルボキシル基を有する疎水性アニオンである。]
【請求項2】
カチオン部Aが、(R)N、(R)P、(ここで、R、R、RおよびRは、非置換もしくは置換された低級アルキル基)である請求項1記載のイオン液体。
【請求項3】
カチオン部低級アルキル基が、飽和の炭素原子1〜14個を含む炭化水素残基である請求項1又は2記載のイオン液体。
【請求項4】
アニオン部低級アルキル基が、飽和の炭素原子1〜14個を含む炭化水素残基である請求項1〜3の何れかに記載のイオン液体。
【請求項5】
疎水性アニオンが、メタンスルホニルイミドアニオン、エタンスルホニルイミドアニオン、トリフルオロメタンスルホニルイミドアニオン、カルボン酸アニオンの群から選ばれたものである請求項1〜5の何れかに記載のイオン液体。


【図2】
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【図1】
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【公開番号】特開2008−44849(P2008−44849A)
【公開日】平成20年2月28日(2008.2.28)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2006−218602(P2006−218602)
【出願日】平成18年8月10日(2006.8.10)
【出願人】(504132881)国立大学法人東京農工大学 (595)
【Fターム(参考)】