2016 Fiscal Year Research-status Report
フルオラスケミストリーを指向した新規イオン液体の創製
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15K05585
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| Research Institution | Kanazawa University |
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Principal Investigator |
本田 光典 金沢大学, 物質化学系, 准教授 (60242533)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
国本 浩喜 金沢大学, 物質化学系, 教授 (10242538) [Withdrawn]
山口 孝浩 金沢大学, 物質化学系, 准教授 (90272947)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | フルオラス / イオン液体 / グリーンケミストリー |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、高変換効率を達成可能な有機薄膜太陽電池の作成過程において、発電層の形成に必要なフルオラスな（親フルオロカーボン性の）イオン液体を創製すること、得られたイオン液体を太陽電池のデバイス合成に用いること、グリーンケミストリーを指向する有機合成において新たな反応場や精製法の簡略化を実現することにある。本年度は、パーフルオロアルキルシリル基をカチオン部に持つイオン液体を合成し、有機合成反応におけるフルオラスケミストリーの適応を計画した。
ピロリジンを出発原料とし、塩化トリメチルシリルを反応させたが、ピロリジン環の窒素原子の直接的なシリル化は困難であった。よって、シリル基と窒素原子間にメチレンスペーサーを有するN-シリルアルキルピロリジンの合成を目指した。ケイ素原子上にパーフルオロアルキル基を3つ有するヨウ化シリルプロピルを調製し、ピロリジンと反応させ対応するピロリジニウム塩を得た。得られた塩をLiN(SO2CF3)2、KPF6等で処理してイオン交換し、パーフルオロアルキル3つを有するピロリジニウム塩のライブラリを構築した。また、ヨウ化シリルプロピルを過剰量用いるとパーフルオロアルキルシリル基を6つ有するピロリジニウム塩が得られた。これをイオン交換した化合物群を合成した。さらにアニオン部へのパーフルオロアルキルの導入を検討した。ナトリウムテトラキスパーフルオロアルキルシリルフェニルボレートを調製し、アニオン交換して対応する塩を合成した。分配係数測定により、これらの塩がいずれも高いフルオラス性を示すことを明らかにした。しかし、アニオン、カチオンいずれにもパーフルオロアルキルをもつ塩は、フルオラス性が低下した。計画とは異なり応用的利用を検討できなかったものの、高いフルオラスを有するイオン液体の合成はこれまでに例がなく、新規材料として、また、合成化学的にも大変意義深い。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度における本研究の目的は、ケイ素原子上にパーフルオロアルキル基を3つもつシリル基を1つまたは2つ有するピロリジニウム系イオン液体を合成し、その物性測定を行いフルオラス性を見積もること、および得られるフルオラスイオン液体の特性を活用して、これまで困難であった有機薄膜太陽電池の発電層合成におけるモルフォロジーの制御、さらにグリーンケミストリーを指向する有機合成において、新たな反応場を形成したり、精製法を簡略化することであった。
イオン液体の合成においては、当初計画していたピロリジン環の窒素原子上への直接シリル基導入には至らなかった。しかしメチレンスペーサーの導入によりカチオン部にパーフルオロアルキル基を3個有するイオン液体の合成に成功した。さらにパーフルオロアルキル基を6個導入することにより、フルオラス性の大幅な向上を達成できた。今後、更なるライブラリーの構築、実用化のための大量合成が必要であり、有機薄膜太陽電池の発電層構築やグリーンケミストリーへの応用には至っていないのが現状である。
上述の様にフルオラスイオン液体の開発に時間と労力が費やされ、応用面において遅れをとっているが、29年度に検討を予定していたイオン液体の分子構造と融点およびフルオラス性の相関の解明が進行しており、全体として概ね予定通りと考えた。
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| Strategy for Future Research Activity |
27，28年度に得られた知見をもとに、計算化学等の手法を駆使してイオン液体の分子構造とフルオラス性の相関の解明をさらに進め、フルオラス性向上を指向したイオン液体の分子設計を行う。例えばケイ素原子上にパーフルオロアルキル基を3つもつシリル基を1つまたは2つ導入したイミダゾリウム塩の合成法を開発することにより、汎用性が飛躍的に向上されると予想され、今後の応用的研究を推進できると考えている。具体的には、上述の方法で合成するフルオラスイオン液体を用いて、これまでに本研究者らが開発したパーフルオロアルキル基をもつポリチオフェンとフラーレン誘導体の混合物を溶解（膨潤）することが可能となり、真空蒸着により有機薄膜太陽電池の発電層を合成することができる。得られた発電層の表面構造を走査型電子顕微鏡（SEM）で確認するとともに、これを用いて作成した太陽電池の開放電圧、短絡電流密度、フィルファクタを測定し、エネルギー変換効率を明らかにして、発電層のモルフォロジー制御の評価とそのフィードバックによるイオン液体の分子構造の改善が、現実的に可能となるであろう。
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