DE102022121979A1 - Method for producing a material for a membrane, material, membrane and use of a membrane - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Stoffs für eine Membran, welches folgende Schritte umfasst:- Bereitstellen von mindestens einem Ausgangsstoff, wobei mindestens ein Ausgangsstoff wenigstens ein Monomer enthält oder daraus besteht;- Synthetisieren eines Polymers aus dem Ausgangsstoff/ den Ausgangsstoffen mittels Polyhydroxyalkylierung (PHA);- Modifizierung des synthetisierten Polymers in einer Folgereaktion.Ferner betrifft die Erfindung einen Stoff, eine Membran und die Verwendung einer Membran.The present invention relates to a method for producing a material for a membrane, which comprises the following steps: - Providing at least one starting material, at least one starting material containing or consisting of at least one monomer; - Synthesizing a polymer from the starting material (s) by means of polyhydroxyalkylation (PHA);- Modification of the synthesized polymer in a subsequent reaction. The invention further relates to a substance, a membrane and the use of a membrane.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Stoffs für eine Membran. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung einen Stoff, welcher durch ein solches Verfahren hergestellt ist, sowie eine Membran umfassend oder bestehend aus einem solchen Stoff. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung einer solchen Membran.The present invention relates to a method for producing a material for a membrane. The present invention further relates to a material which is produced by such a method, and to a membrane comprising or consisting of such a material. In addition, the present invention relates to the use of such a membrane.
Im Rahmen der Energiewende werden zunehmend alternative Möglichkeiten der Erzeugung von Strom entwickelt. Einen wichtigen Bereich bilden dabei Brennstoffzellen. Diese wandeln die chemische Reaktionsenergie eines zugeführten Brennstoffs und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie um. Daneben spielt die Speicherung von elektrischer Energie eine zunehmende Rolle. Hier geht es insbesondere darum, Batterietechnik so weiter zu entwickeln, dass Batterien auf der einen Seite eine hohe Energiedichte und auf der anderen Seite eine hohe Langzeitstabilität aufweisen.As part of the energy transition, alternative ways of generating electricity are increasingly being developed. Fuel cells are an important area. These convert the chemical reaction energy of an supplied fuel and an oxidizing agent into electrical energy. In addition, the storage of electrical energy is playing an increasing role. The main aim here is to further develop battery technology so that batteries have a high energy density on the one hand and high long-term stability on the other.
Insbesondere bei elektrochemischen Prozessen, beispielsweise bei Elektrolyse-Prozessen, oder in elektrochemischen Anlagen, beispielsweise in einer Brennstoffzelle oder in einer Batterie, werden Membranen, insbesondere Ionenaustauschermembranen eingesetzt. An derartige Membranen werden hohe Anforderungen gestellt. Zum einen müssen sie bezogen auf ihr Anwendungsgebiet gegenüber den sie umgebenden Medien hinreichend chemisch stabil sein. Außerdem sind solche Membranen häufig mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt. Bei elektrochemischen Anwendungen ist darüber hinaus eine gewisse Leitfähigkeit bei gleichzeitig einem geringen Quellungsgrad, d.h. einer geringen Volumenausdehnung, erforderlich.Membranes, in particular ion exchange membranes, are used in particular in electrochemical processes, for example in electrolysis processes, or in electrochemical systems, for example in a fuel cell or in a battery. High demands are placed on such membranes. On the one hand, they must be sufficiently chemically stable relative to the media surrounding them in relation to their area of application. In addition, such membranes are often exposed to mechanical stress. In electrochemical applications, a certain conductivity is also required along with a low degree of swelling, i.e. a low volume expansion.
Als Stoffe für solche Membranen werden üblicherweise Polymere eingesetzt. Diese werden aus Monomeren synthetisiert. Eine Gruppe von Verfahren zur Polymersynthese bilden die Polykondensationsverfahren. Zu dieser Gruppe von Verfahren gehört das Verfahren der Polyhydroxyalkylierung (PHA).Polymers are usually used as materials for such membranes. These are synthesized from monomers. A group of processes for polymer synthesis are the polycondensation processes. This group of processes includes the polyhydroxyalkylation (PHA) process.
Mittels Polyhydroxyalkylierung erzeugte Polymere sind beispielsweise beschrieben in
Auch wenn sich mittels Polyhydroxyalkylierung Polymere synthetisieren lassen, die grundsätzlich zum Einsatz in Membranen geeignet sind, besteht permanent ein Bedürfnis, das Eigenschaftsprofil, konkret die chemische Stabilität, die Leitfähigkeit und die mechanische Stabilität zu verbessern.Even if polymers that are fundamentally suitable for use in membranes can be synthesized using polyhydroxyalkylation, there is a constant need to improve the property profile, specifically chemical stability, conductivity and mechanical stability.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren bereitzustellen, durch welches Stoffe für eine Membran mit einem günstigen Eigenschaftsprofil hergestellt werden können. Ferner sollen entsprechende Stoffe bereitgestellt werden, die sich durch ein günstiges Eigenschaftsprofil auszeichnen.The object of the present invention is therefore to provide a method by which materials for a membrane with a favorable property profile can be produced. Furthermore, appropriate materials should be provided that are characterized by a favorable property profile.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Stoffs für eine Membran, welches folgende Schritte umfasst:
- - Bereitstellen von mindestens einem Ausgangsstoff, wobei mindestens ein Ausgangsstoff wenigstens ein Monomer enthält oder daraus besteht;
- - Synthetisieren eines Polymers aus dem Ausgangsstoff/den Ausgangsstoffen mittels Polyhydroxyalkylierung (PHA);
- - Modifizierung des synthetisierten Polymers in einer Folgereaktion.
- - Providing at least one starting material, at least one starting material containing or consisting of at least one monomer;
- - Synthesizing a polymer from the starting material(s) using polyhydroxyalkylation (PHA);
- - Modification of the synthesized polymer in a subsequent reaction.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Stoffs für eine Membran, welches die folgenden Schritte umfasst:
- - Bereitstellen von einem Ausgangsstoff, wobei mindestens ein Ausgangsstoff wenigstens ein Monomer enthält oder daraus besteht;
- - Modifizierung mindestens eines Ausgangsstoffs in einer Vorabreaktion;
- - Synthetisieren eines Polymers aus dem Ausgangsstoff/den Ausgangsstoffen mittels Polyhydroxyalkylierung (PHA).
- - Providing a starting material, at least one starting material containing or consisting of at least one monomer;
- - Modification of at least one starting material in a preliminary reaction;
- - Synthesizing a polymer from the starting material(s) using polyhydroxyalkylation (PHA).
Ferner ist die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe gelöst durch einen Stoff, welcher durch ein solches Verfahren hergestellt ist.Furthermore, the object on which the invention is based is achieved by a material which is produced by such a process.
Der Erfindung liegt damit die grundsätzliche Überlegung zugrunde, zusätzlich zu einer Polymersynthese mittels Polyhydroxyalkylierung eine Modifikation an dem Polymer vorzunehmen. Dadurch können die Eigenschaften des erhaltenen Polymers weiter optimiert werden. Möglich ist dabei, das Polymer nach dem Synthetisieren mittels Polyhydroxyalkylierung durch eine Umsetzung in einer Folgereaktion zu modifizieren. Alternativ oder ergänzend kann auch vor dem Schritt der Polymersynthese eine Modifizierung des Ausgangsstoffs in einer Vorabreaktion stattfinden. In diesem Fall ist dann der modifizierte Ausgangsstoff an der Polymersynthese beteiligt. Mit anderen Worten kann vor und/oder nach der Polymersynthese eine gezielte Funktionalisierung eines Ausgangsstoffs bzw. des synthetisierten Polymers stattfinden, um die Eigenschaften des Polymers zu optimieren. Das mittels Polyhydroxyalkylierung synthetisierte Polymer wird auch als PHA-Polymer bezeichnet.The invention is therefore based on the fundamental idea of carrying out a modification to the polymer in addition to a polymer synthesis using polyhydroxyalkylation. This allows the properties of the polymer obtained to be further optimized. It is possible to modify the polymer after synthesis using polyhydroxyalkylation by implementing it in a subsequent reaction. Alternatively or additionally, the starting material can be modified in a preliminary reaction before the polymer synthesis step. In this case, the modified starting material is then involved in the polymer synthesis. In other words, a targeted functionalization of a starting material or the synthesized polymer can take place before and/or after the polymer synthesis in order to optimize the properties of the polymer. The polymer synthesized using polyhydroxyalkylation is also called PHA polymer.
Dementsprechend enthält der erfindungsgemäße Stoff bevorzugt ein Polymer oder ein Polymergemisch oder besteht daraus. Als Polymer wird dabei eine chemische Verbindung verstanden, die aus Kettenmolekülen oder verzweigten Molekülen besteht oder solche umfasst. Die Kettenmoleküle oder die verzweigten Moleküle bestehen dabei aus gleichen Einheiten oder, beispielsweise bei Copolymeren, aus unterschiedlichen Einheiten.Accordingly, the substance according to the invention preferably contains or consists of a polymer or a polymer mixture. A polymer is understood to be a chemical compound that consists of or includes chain molecules or branched molecules. The chain molecules or the branched molecules consist of the same units or, for example in the case of copolymers, of different units.
Bevorzugt enthält der Ausgangsstoff mindestens eine Art eines Diarylmonomers.The starting material preferably contains at least one type of diaryl monomer.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung enthält mindestens ein Ausgangsstoff eines oder mehrere der folgenden Ketone und/oder Aldehyde oder besteht daraus:
- 4-Methylpiperazin-2-on, 1-(1-Methylpiperidin-4-yl)ethan-1-on, 1,4-Dimethylpiperazin-2-on, Piperazin-2-on, 1,3-Dimethyltetrahydropyrimidin-2(1H)-on, 1-(1-Methyl-1 H-benzo[d]imidazol-2-yl)ethan-1 -on, 2,2,2-Trifluor-1 -(1 -methyl-1H-benzo[d]imidazol-2-yl)ethan-1-on, 1-(5,6-Dimethyl-1H-benzo[d]imidazol-2-yl)ethan-1-on, 1-(5-Methylpyridin-3-yl)ethan-1-on, 1-(5-Methylpyridin-2-yl)ethan-1-on, 2,2,2-Trifluor-1-(4-mercaptophenyl)ethan-1-on, Acetylferrocen, (2,2,2-Trifluoracetyl)ferrocen, 1-(4-(5-Bromopentyl)phenyl)ethan-1-on, 1-(4-Ethylpiperazin-2-yl)ethan-1-on, 1-(1-Methyl-1Hpyrazol-4-yl)ethan-1-on, Pyrrolidin-3-carbaldehyd, 1-(1H-Pyrazol-3-yl)ethan-1-on, 1-(1H-Benzo[d]imidazol-6-yl)ethan-1-on, 1-(7-Methyl-1Hbenzo[d]imidazol-2-yl)ethan-1-on, 1-(1H-Benzo[d]imidazol-2-yl)ethan-1-on, 1-(4-Methylpyridin-3-yl)ethan-1-on, 1-(4-Mercaptophenyl)ethan-1-on, (4-Acetylphenyl)phosphonsäure, 1-(3-Methylpyridin-2-yl)ethan-1-on, 1-(1-Methyl-1H-pyrazol-3-yl)ethan-1-on, 1-(1,2,4-Trimethyl-1Himidazol-5-yl)ethan-1-on, 1-(1H-Benzo[d]imidazol-7-yl)ethan-1-on, 1-(1H-Benzo[d]imidazol-2-yl)propan-1 -on, 1-(1H-Benzo[d]imidazol-2-yl)propan-2-on, 1-(1,4,5-Trimethyl-1H-imidazol-2-yl)ethan-1-on, 2,2,2-Trifluor-1-(1-methyl-1H-imidazol-2-yl)ethan-1-on, 1-(1-Methyl-1H-imidazol-2-yl)ethan-1-on, 1-(1H-Imidazol-5-yl)ethan-1-on, 1-(1H-Imidazo-2-yl)ethan-1-on, 1-(2-Methylpyridin-4-yl)ethan-1-on, 4-Acetylbenzolsulfonsäure, 1-(4-Methylpyridin-2-yl)ethan-1-on, 1-(Pyridin-4-yl)ethan-1-on, 1-(Pyridin-3-yl)ethan-1-on, 1-(Pyridin-2-yl)ethan-1-on, 2,2,2-Trifluor-1 -(pyridin-2-yl)ethan-1-on, 2,2,2-Trifluor-1 -(pyridin-4-yl)ethan-1 -on, 2,2,2-Trifluor-1 -(pyridin-3-yl)ethan-1-on, 2,2,2-Trifluor-1 -(piperidin-4-yl)ethan-1 -on, 1-(Chinolin-8-yl)ethan-1-on, 1-(Chinolin-5-yl)ethan-1-on, 2,2,2-Trifluor-1-(1H-imidazol-2-yl)ethan-1-on, 1-(Chinolin-4-yl)ethan-1-on, 1-(3-Methylpyridin-4-yl)ethan-1-on, 1-(2,3,5,6-Tetrafluor-4-mercaptophenyl)ethan-1-on, 1-(Cyclopenta-2,4-dien-1-yl)ethan-1-on, 1-(4-Hexylphenyl)ethan-1-on, 1-(Cyclopenta-2,4-dien-1-yl)-2,2,2,-trifluorethan-1-on, 1-(4-(5-Chlorpentyl)phenyl)ethan-1-on, 1-(4-Bromphenyl)ethan-1-on, 1-(4-Chlorphenyl)ethan-1-on, 1-(4-Fluorphenyl)ethan-1-on, 1-(4-iodphenyl)ethan-1-on, 1-(6-Methylpyridin-2-yl)ethan-1-on, 1-(6-Methylpyridin-3-yl)ethan-1-on, 3-Acetylbenzolsulfonsäure, 4-Acetyl-2,3,5,6-Tetrafluorbenzolsulfonsäure, 1-(2-Methylpyridin-3-yl)ethan-1-on, 1-(Chinolin-7-yl)ethan-1-on, 1-(Chinolin-6-yl)ethan-1-on, Di(pyridin-2-yl)methanon, 1-(2-(Dimethylamino)phenyl)ethan-1-on, 2,2,2-Trifluor-1-(chinolin-3-yl)ethan-1-on, 1-(3-(Dimethylamino)phenyl)ethan-1-on, 1-(4-(Dimethylamino)phenyl)ethan-1-on, 1-(Chinolin-2-yl)ethan-1-on, 1-(4-(Dimethylamino)phenyl)-2,2,2-trifluorethan-1-on, 1-(3-(Dimethylamino)phenyl)-2,2,2-trifluorethan-1-on, 1-(3-Chlorphenyl)2,2,2-trifluorethan-1-on, 1-(3-Bromphenyl)-2,2,2-trifluorethan-1-on, 2,2,2-Trifluor-1-(3-iodphenyl)ethan-1-on, 2,2,2-Trifluor-1-(3-fluorphenyl)ethan-1-on, 1-(2-Bromphenyl)-2,2,2-trifluoroethan-1-on, 1-(2-Chlorphenyl)-2,2,2-trifluorethan-1-on, 1-(2-lodphenyl)-2,2,2-trifluoroethan-1-on, 1-(2-Fluorphenyl)-2,2,2-trifluorethan-1-on, 1-(2-Bromphenyl)-2,2,2-trifluorethan-1-on, 1-(2-Chlorphenyl)ethan-1-on, 1-(2-lodphenyl)ethan-1-on, 1-(2-Bromphenyl)ethan-1-on, 1-(2-Fluorphenyl)ethan-1-on, 1-(3-Chlorphenyl)ethan-1-on, 1-(3-Bromphenyl)ethan-1-on, 1-(3-lodphenyl)ethan-1-on, 1-(3-Fluorphenyl)ethan-1-on, 2,2,2-Trifluor-1-(4-fluorphenyl)ethan-1-on, 2,2,2-Trifluor-1-(4-Iodphenyl)ethan-1-on, 1-(4-Chlorphenyl)-2,2,2-trifluorethan-1-on, 1-(4-Bromphenyl)-2,2,2-trifluoroethan-1-on, 2,2,2-Trifluor-1-(perfluorphenyl)ethan-1-on, 8-Brom-1,1,1-trifluoroctan-2-on, 1-(Isochinolin-4-yl)ethan-1-on, 1-(Chinolin-3-yl)ethan-1-on, 1-(1,8-Naphthyridin-4-yl)-ethan-1-on, 1-(Perfluorphenyl)ethan-1-on, 1-(lsochinolin-1-yl)ethan-1-on, 2,2,2-Trifluor-1-(4-nitrophenyl)ethan-1-on, 2,2,2-Trifluor-1-(3-nitrophenyl)ethan-1-on, Ferrocencarboxaldehyd, Formylcobaltocen, Formylnickelocen.
- 4-Methylpiperazin-2-one, 1-(1-Methylpiperidin-4-yl)ethan-1-one, 1,4-Dimethylpiperazin-2-one, Piperazin-2-one, 1,3-Dimethyltetrahydropyrimidin-2(1H )-one, 1-(1-methyl-1H-benzo[d]imidazol-2-yl)ethan-1 -one, 2,2,2-trifluoro-1-(1-methyl-1H-benzo[d ]imidazol-2-yl)ethan-1-one, 1-(5,6-dimethyl-1H-benzo[d]imidazol-2-yl)ethan-1-one, 1-(5-methylpyridin-3-yl )ethan-1-one, 1-(5-methylpyridin-2-yl)ethan-1-one, 2,2,2-trifluoro-1-(4-mercaptophenyl)ethan-1-one, acetylferrocene, (2, 2,2-Trifluoroacetyl)ferrocene, 1-(4-(5-Bromopentyl)phenyl)ethan-1-one, 1-(4-Ethylpiperazin-2-yl)ethan-1-one, 1-(1-Methyl- 1Hpyrazol-4-yl)ethan-1-one, pyrrolidin-3-carbaldehyde, 1-(1H-pyrazol-3-yl)ethan-1-one, 1-(1H-benzo[d]imidazol-6-yl) ethan-1-one, 1-(7-Methyl-1Hbenzo[d]imidazol-2-yl)ethan-1-one, 1-(1H-Benzo[d]imidazol-2-yl)ethan-1-one, 1-(4-Methylpyridin-3-yl)ethan-1-one, 1-(4-Mercaptophenyl)ethan-1-one, (4-acetylphenyl)phosphonic acid, 1-(3-Methylpyridin-2-yl)ethan- 1-one, 1-(1-Methyl-1H-pyrazol-3-yl)ethan-1-one, 1-(1,2,4-trimethyl-1Himidazol-5-yl)ethan-1-one, 1- (1H-Benzo[d]imidazol-7-yl)ethan-1-one, 1-(1H-Benzo[d]imidazol-2-yl)propan-1 -one, 1-(1H-Benzo[d]imidazole -2-yl)propan-2-one, 1-(1,4,5-trimethyl-1H-imidazol-2-yl)ethan-1-one, 2,2,2-trifluoro-1-(1-methyl -1H-imidazol-2-yl)ethan-1-one, 1-(1-Methyl-1H-imidazol-2-yl)ethan-1-one, 1-(1H-imidazol-5-yl)ethan-1 -one, 1-(1H-Imidazo-2-yl)ethan-1-one, 1-(2-methylpyridin-4-yl)ethan-1-one, 4-acetylbenzenesulfonic acid, 1-(4-methylpyridin-2- yl)ethan-1-one, 1-(Pyridin-4-yl)ethan-1-one, 1-(Pyridin-3-yl)ethan-1-one, 1-(Pyridin-2-yl)ethan-1 -one, 2,2,2-trifluoro-1 -(pyridin-2-yl)ethan-1-one, 2,2,2-trifluoro-1 -(pyridin-4-yl)ethan-1 -one, 2 ,2,2-Trifluoro-1 -(pyridin-3-yl)ethan-1-one, 2,2,2-Trifluoro-1 -(piperidin-4-yl)ethan-1 -one, 1-(Quinolin- 8-yl)ethan-1-one, 1-(quinolin-5-yl)ethan-1-one, 2,2,2-trifluoro-1-(1H-imidazol-2-yl)ethan-1-one, 1-(Quinolin-4-yl)ethan-1-one, 1-(3-Methylpyridin-4-yl)ethan-1-one, 1-(2,3,5,6-Tetrafluoro-4-mercaptophenyl)ethane -1-one, 1-(Cyclopenta-2,4-dien-1-yl)ethan-1-one, 1-(4-Hexylphenyl)ethan-1-one, 1-(Cyclopenta-2,4-dien- 1-yl)-2,2,2,-trifluoroethan-1-one, 1-(4-(5-chloropentyl)phenyl)ethan-1-one, 1-(4-bromophenyl)ethan-1-one, 1 -(4-Chlorophenyl)ethan-1-one, 1-(4-Fluorophenyl)ethan-1-one, 1-(4-iodophenyl)ethan-1-one, 1-(6-Methylpyridin-2-yl)ethane -1-one, 1-(6-methylpyridin-3-yl)ethan-1-one, 3-acetylbenzenesulfonic acid, 4-acetyl-2,3,5,6-tetrafluorobenzenesulfonic acid, 1-(2-methylpyridin-3-yl )ethan-1-one, 1-(quinolin-7-yl)ethan-1-one, 1-(quinolin-6-yl)ethan-1-one, di(pyridin-2-yl)methanone, 1-( 2-(Dimethylamino)phenyl)ethan-1-one, 2,2,2-trifluoro-1-(quinolin-3-yl)ethan-1-one, 1-(3-(Dimethylamino)phenyl)ethan-1- one, 1-(4-(Dimethylamino)phenyl)ethan-1-one, 1-(Quinolin-2-yl)ethan-1-one, 1-(4-(Dimethylamino)phenyl)-2,2,2- trifluoroethan-1-one, 1-(3-(Dimethylamino)phenyl)-2,2,2-trifluoroethan-1-one, 1-(3-chlorophenyl)2,2,2-trifluoroethan-1-one, 1- (3-Bromophenyl)-2,2,2-trifluoroethan-1-one, 2,2,2-trifluoro-1-(3-iodophenyl)ethan-1-one, 2,2,2-trifluoro-1-( 3-fluorophenyl)ethan-1-one, 1-(2-bromophenyl)-2,2,2-trifluoroethan-1-one, 1-(2-chlorophenyl)-2,2,2-trifluoroethan-1-one, 1-(2-iodophenyl)-2,2,2-trifluoroethan-1-one, 1-(2-fluorophenyl)-2,2,2-trifluoroethan-1-one, 1-(2-bromophenyl)-2, 2,2-trifluoroethan-1-one, 1-(2-chlorophenyl)ethan-1-one, 1-(2-iodophenyl)ethan-1-one, 1-(2-bromophenyl)ethan-1-one, 1 -(2-Fluorophenyl)ethan-1-one, 1-(3-Chlorophenyl)ethan-1-one, 1-(3-Bromophenyl)ethan-1-one, 1-(3-iodophenyl)ethan-1-one , 1-(3-fluorophenyl) ethan-1-one, 2,2,2-trifluoro-1-(4-fluorophenyl)ethan-1-one, 2,2,2-trifluoro-1-(4-iodophenyl)ethan-1-one, 1- (4-Chlorophenyl)-2,2,2-trifluoroethan-1-one, 1-(4-Bromophenyl)-2,2,2-trifluoroethan-1-one, 2,2,2-Trifluoro-1-(perfluorophenyl )ethan-1-one, 8-bromo-1,1,1-trifluorooctan-2-one, 1-(isoquinolin-4-yl)ethan-1-one, 1-(quinolin-3-yl)ethan-1 -one, 1-(1,8-naphthyridin-4-yl)-ethan-1-one, 1-(perfluorophenyl)ethan-1-one, 1-(isoquinolin-1-yl)ethan-1-one, 2 ,2,2-trifluoro-1-(4-nitrophenyl)ethan-1-one, 2,2,2-trifluoro-1-(3-nitrophenyl)ethan-1-one, ferrocene carboxaldehyde, formylcobaltocene, formylnickelocene.
Strukturformeln von einsetzbaren Ausgangsstoffen sind in der nachstehenden Abbildung dargestellt, wobei es sich um Ketone und Aldehyde handelt.
Mindestens ein Ausgangsstoff kann auch eines oder mehrere der folgenden Aryle bzw. Arylgruppen enthalten:
- 1,2'-Binaphtalin, 1,1'-Binaphtalin, 2,2'-Binaphtalin, 1,1'-Biphenyl, 1,1'.4,1''-Terphenyl, 10-Methyl-9,10-dihydroacridin, 9,10-Diphenylanthracen, 1,4-Diphenylnaphthalin, 1,1':4',1''.4'',1'''-Quaterphenyl, 1,1':3',1''.3'',1'''-Quaterphenyl, 1,1':3',1''-Terphenyl, 9,9,10-Trimeathyl-9,10-dihydroacridin, 2,4,6-Triphenyl-1,3,5-triazin, 2,3-Diphenylnaphtalin, 2',2'',3',3'',5',5'',6',6''-Octafluor-1,1':4',1''.4'',1'''-quaterphenyl, 2',3',5',6'-Tetrafluor-1,1',4',1''-terphenyl, 2',4', 5', 6'-Tetrafluor-1,1':3',1''-terphenyl, 2',2'',4',4'',5',5'',6',6''-Octafluor-1,1':3',1''.3'',1'''-quaterphenyl, 9,10-dihydroacridin, 2,4,6-Triphenylpyridin, 5'lod-1,1':3',1''-terphenyl, 5'-Brom-1,1':3'1''-terphenyl, 5'-Chlor-1,1':3',1''-terphenyl, 2'-Brom-1,1':3'1''-terphenyl, 2'-Iod-1,1':3',1''-terphenyl, 4'-Brom-1,1':2',1''-terphenyl, 9,9-Dimethyl-9,10-dihydroacridin, 2,3,6,7-Tetraphenylnaphtalin, 2,6-Diphenylpyridin, 2,6-Diphenylpyrazin, 4,6-Diphenylpyrimidin, 3,5-Diphenylpyridin, 2,5-Diphenylpyridin, 2,5-diphenylpyrimidin, 1,3-Diphenylcyclohexan, 5-Methyl-5,10-dihydrophenazin, 5,10-Dihydrophenazin, 5'-Phenyl-1,1':3',1''-terphenyl, N-N-Dimethyl-[1,1':3',1''-terphenyl]-5'-amin, N-N-Dimethyl-[1,1':3',1''-terphenyl]-2'-amin, 6,6'-Diphenyl-2,2'-bipyridin, 2,4-Diphenyl-1,3,5-triazin, 1,4-Diphenylcyclohexan, 1,2-Diphenylcyclohexan, 5,10-Dimethyl-5, 10-dihydrophenazin, 5'-Methyl-1,1':3',1''-terphenyl, 2'-Methyl-1 ,1':3',1''-terphenyl, 4-Methyl-2,6-diphenylpyridin, 2',3'-Dimethyl-1,1':4',1''-terphenyl, 2',3',5',6'-Tetramethyl-1,1':4',1''-terphenyl, 2,3,5,6-Tetraphenylpyrazin.
- 1,2'-binaphthalene, 1,1'-binaphthalene, 2,2'-binaphthalene, 1,1'-biphenyl, 1,1'.4,1''-terphenyl, 10-methyl-9,10-dihydroacridine , 9,10-Diphenylanthracene, 1,4-Diphenylnaphthalene, 1,1':4',1''.4'',1'''-Quaterphenyl, 1,1':3',1''.3'',1'''-quaterphenyl,1,1':3',1''-terphenyl, 9,9,10-trimeethyl-9,10-dihydroacridine, 2,4,6-triphenyl-1,3,5 -triazine, 2,3-diphenylnaphthalene, 2',2'',3',3'',5',5'',6',6''-octafluoro-1,1':4',1''.4'',1'''-quaterphenyl,2',3',5',6'-tetrafluoro-1,1',4',1''-terphenyl,2',4',5', 6 '-Tetrafluoro-1,1':3',1''-terphenyl, 2',2'',4',4'',5',5'',6',6''-octafluoro-1, 1':3',1''.3'',1'''-quaterphenyl, 9,10-dihydroacridine, 2,4,6-triphenylpyridine, 5'lod-1,1':3',1'' -terphenyl, 5'-bromo-1,1':3'1''-terphenyl, 5'-chloro-1,1':3',1''-terphenyl, 2'-bromo-1,1': 3'1''-terphenyl, 2'-iodo-1,1':3',1''-terphenyl, 4'-bromo-1,1':2',1''-terphenyl, 9,9- Dimethyl-9,10-dihydroacridine, 2,3,6,7-tetraphenylnaphthalene, 2,6-diphenylpyridine, 2,6-diphenylpyrazine, 4,6-diphenylpyrimidine, 3,5-diphenylpyridine, 2,5-diphenylpyridine, 2, 5-diphenylpyrimidine, 1,3-diphenylcyclohexane, 5-methyl-5,10-dihydrophenazine, 5,10-dihydrophenazine, 5'-phenyl-1,1':3',1''-terphenyl, NN-dimethyl-[ 1,1':3',1''-terphenyl]-5'-amine, NN-dimethyl-[1,1':3',1''-terphenyl]-2'-amine, 6,6'- Diphenyl-2,2'-bipyridine, 2,4-diphenyl-1,3,5-triazine, 1,4-diphenylcyclohexane, 1,2-diphenylcyclohexane, 5,10-dimethyl-5, 10-dihydrophenazine, 5'- Methyl-1,1':3',1''-terphenyl, 2'-Methyl-1,1':3',1''-terphenyl, 4-methyl-2,6-diphenylpyridine, 2',3'-Dimethyl-1,1':4',1''-terphenyl,2',3',5',6'-tetramethyl-1,1':4',1''-terphenyl, 2,3,5 ,6-Tetraphenylpyrazine.
Strukturformeln für Aryle, die in einem Ausgangsstoff enthalten sein können oder den Ausgangsstoff bilden können, sind in der nachstehenden Abbildung dargestellt.
Eine Art von Monomeren eines Ausgangsstoffs kann einen organischen Rest umfassen, wobei der organische Rest insbesondere 1,4-Arylen oder 1,3-Arylen oder 1,2-Arylen oder Alkyl oder 1,4-Perfluorarylen oder 1,3-Perfluorarylen oder 1,2-Perfluorarylen oder Perfluoralkyl oder Bromoarylen oder Chloroarylen oder lodoarylen oder Pyridyl oder Pyrazinyl oder Pyrimidyl oder Triazinyl oder 9H-Fluorenyl oder 9-Dialkyl-9H-Fluorenyl oder 9,9-Bis(haloalkyl)- 9H-Fluorenyl oder 1,4-Cyclohexyl oder 1,3-Cyclohexyl oder 1,2-Cyclohexyl oder 1-Methylpiperidyl oder 1,4-Dimethylpiperazinyl oder 1,3-Dimethylhexahydropyrimidinyl umfasst oder daraus besteht.One type of monomer of a starting material may comprise an organic radical, the organic radical being in particular 1,4-arylene or 1,3-arylene or 1,2-arylene or alkyl or 1,4-perfluoroarylene or 1,3-perfluoroarylene or 1 ,2-Perfluoroarylene or perfluoroalkyl or bromoarylene or chloroarylene or iodoarylene or pyridyl or pyrazinyl or pyrimidyl or triazinyl or 9H-fluorenyl or 9-dialkyl-9H-fluorenyl or 9,9-bis(haloalkyl)-9H-fluorenyl or 1,4- Cyclohexyl or 1,3-cyclohexyl or 1,2-cyclohexyl or 1-methylpiperidyl or 1,4-dimethylpiperazinyl or 1,3-dimethylhexahydropyrimidinyl comprises or consists of.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung kann ein Ausgangsstoff mindestens eine Ketongruppe und/oder Carbonylgruppe, insbesondere mehrere verschiedene Ketongruppen und/oder mehrere verschiedene Carbonylgruppen enthalten. Eine Ketongruppe kann dabei die folgende Struktur aufweisen:
R2 kann dabei stehen für Wasserstoff (H), Phenyl, CnH2n-1 mit n=1-20, oder für CnF2n-1 mit n=1-20.R 2 can represent hydrogen (H), phenyl, C n H 2n-1 with n=1-20, or C n F 2n-1 with n=1-20.
Der Rest R3 kann ein beliebiger, basischen Stickstoff enthaltender organischer Rest sein. Bevorzugt kann er die folgende Struktur aufweisen:
- (2-R, 3-R, 4-R, 5-R, 6-R)-x-Pyridyl mit R=H, CI
- Br, I, OMe, CnH2n-1 mit n=1-20, CnF2n-1 mit n=1-20
- NO2, SO3H, SH, SO2-CnH2n-1 mit n=1-20 und x=2, 3 oder 4 (2-R, 3-R, 4-R, 5-R, 6-R)-x-Pyrimidinyl mit R=H,
- CI, Br, I, OMe, CnH2n-1 mit n=1-20, CnH2n-1 mit n=1-20 und x=2, 3
oder 4 - 1H-benzo[d]imidazolyl
- 1-Methyl-1 H-benzo[d]imidazolyl
- 1H-imidazolyl
- 1-Methyl-1 H-imidazolyl
- 1-methylpiperidin-2-,3- oder 4-yl
- 1-(4-methylpiperazin-2-, oder 3-yl
- (2-R, 3-R, 4-R, 5-R, 6-R)-x-pyridyl with R=H, CI
- Br, I, OMe, C n H 2n-1 with n=1-20, C n F 2n-1 with n=1-20
- NO 2 , SO 3 H, SH, SO 2 -C n H 2n-1 with n=1-20 and x=2, 3 or 4 (2-R, 3-R, 4-R, 5-R, 6 -R)-x-pyrimidinyl with R=H,
- CI, Br, I, OMe, C n H 2n-1 with n=1-20, C n H 2n-1 with n=1-20 and x=2, 3 or 4
- 1H-benzo[d]imidazolyl
- 1-Methyl-1H-benzo[d]imidazolyl
- 1H-imidazolyl
- 1-Methyl-1H-imidazolyl
- 1-methylpiperidin-2-, 3- or 4-yl
- 1-(4-methylpiperazin-2-, or 3-yl
Alternativ kann der Rest R3 ein halogenhaltiger organischer Rest sein. Bevorzugt kann R3 folgende Struktur aufweisen:
- (CH)kHal mit Hal=Cl, Br, I und k = 1-10
- Pentafluorphenyl
- Tetrafluorphenyl
- Trifluorphenyl
- Difluorphenyl
- Fluorphenyl
- (CH)kHal with Hal=Cl, Br, I and k = 1-10
- Pentafluorophenyl
- Tetrafluorophenyl
- Trifluorophenyl
- Difluorophenyl
- Fluorophenyl
Das prinzipielle Reaktionsschema einer Polyhydroxyalkylierung ist nachstehend dargestellt.
Die Bezeichnung R1 steht dabei für einen beliebigen organischen Rest, welcher bevorzugt eine der zuvor genannten Strukturen aufweist. Die Bezeichnungen R2 und R3 wurden bereits zuvor erläutert.The designation R 1 stands for any organic radical, which preferably has one of the aforementioned structures. The designations R 2 and R 3 have already been explained previously.
Bevorzugt findet die Polyhydroxyalkylierung unter Einfluss von Trifluormethansulfonsäure (TFSA) statt. Diese besitzt die Summenformel CF3SO3H und ist eine farblose, stechend riechende, hygroskopische Flüssigkeit.The polyhydroxyalkylation preferably takes place under the influence of trifluoromethanesulfonic acid (TFSA). This has the molecular formula CF 3 SO 3 H and is a colorless, pungent-smelling, hygroscopic liquid.
In weiterer Ausgestaltung kann die Polyhydroxyalkyierung (PHA) unter Einfluss eines Lösungsmittels, insbesondere eines chlorierten Lösungsmittels, stattfinden. Solche Lösungsmittel sind kommerziell erhältlich.In a further embodiment, the polyhydroxyalkylation (PHA) can take place under the influence of a solvent, in particular a chlorinated solvent. Such solvents are commercially available.
Die Modifizierung des synthetisierten Polymers in einer Folgereaktion und/oder die Modifizierung eines Ausgangsstoffs in einer Vorabreaktion kann dabei jeweils eine oder mehrere Reaktionen oder Reaktionsschritte umfassen. Möglich ist auch, dass vor der Polymersynthese mittels PHA eine Modifizierung des Ausgangsstoffs in einer Vorabreaktion oder in mehreren Vorabreaktionen stattfindet und/oder nach der Polymersynthese mittels PHA eine oder mehrere Folgereaktionen durchgeführt werden, um das synthetisierte Polymer zu modifizieren.The modification of the synthesized polymer in a subsequent reaction and/or the modification of a starting material in a preliminary reaction can each include one or more reactions or reaction steps. It is also possible for the starting material to be modified in a preliminary reaction or in several preliminary reactions before the polymer synthesis using PHA and/or for one or more subsequent reactions to be carried out after the polymer synthesis using PHA in order to modify the synthesized polymer.
Die Modifizierung des synthetisierten Polymers in einer Folgereaktion und/oder die Modifizierung des Ausgangsstoffs in einer Vorabreaktion kann eine nucleophile aromatische Substitutionsreaktion oder eine elektrophile aromatische Substitutionsreaktion umfassen. Eine elektrophile aromatische Substitutionsreaktion kann eine Nitrierung und mögliche Folgereaktionen, eine Sulfonierung und mögliche Folgereaktionen, Friedel-Crafts-Acylierungen und mögliche Folgereaktionen, Friedel-Crafts-Alkylierungen und mögliche Folgereaktionen, eine Halogenierung, insbesondere eine Fluorierung, Chlorierung, Bromierung oder lodierung, und eine mögliche Folgereaktion von Halogenierungen, beispielsweise Lithiierungen mittels eines Halogen-Metall-Austauschs oder Grignard-Reaktionen, und mögliche Folgereaktionen der metallierten, beispielsweise lithiierten, Polymere durch Reaktionen mit beliebigen Elektrophilen umfassen.The modification of the synthesized polymer in a subsequent reaction and/or the modification of the starting material in a preliminary reaction may include a nucleophilic aromatic substitution reaction or an electrophilic aromatic substitution reaction. An electrophilic aromatic substitution reaction can be a nitration and possible subsequent reactions, a sulfonation and possible subsequent reactions, Friedel-Crafts acylations and possible subsequent reactions, Friedel-Crafts alkylations and possible subsequent reactions, a halogenation, in particular a fluorination, chlorination, bromination or iodization, and a possible subsequent reactions of halogenations, for example lithiations by means of a halogen-metal exchange or Grignard reactions, and possible subsequent reactions of the metalated, for example lithiated, polymers by reactions with any electrophiles.
Eine nucleophile Substitutionsreaktion kann in an sich bekannter Weise ablaufen. Dabei kann ein Atom oder mehrere Atome einer aromatischen Verbindung substituiert werden. Beispielsweise können in dem synthetisierten Polymer perfluoraromatische Verbindungen vorhanden sein, bei welchen ein Fluoratom oder mehrere Fluoratome durch eine funktionelle Gruppe substituiert werden. Beispielsweise kann eine Perfluorphenyl-Einheit oder eine Perfluorbiphenyl-Einheit vorhanden sein, bei welcher die para-Position zunächst substituiert wird durch eine funktionelle Gruppe. Eine weitere funktionelle Gruppe kann dann auch an einer ortho-Position und/oder einer meta-Position angekoppelt werden.A nucleophilic substitution reaction can take place in a manner known per se. One or more atoms of an aromatic compound can be substituted. For example, perfluoroaromatic compounds in which one or more fluorine atoms are substituted by a functional group may be present in the synthesized polymer. For example, a perfluorophenyl unit or a perfluorobiphenyl unit may be present in which the para position is initially substituted by a functional group. A further functional group can then also be coupled at an ortho position and/or a meta position.
Es können dabei mehrere Atome einer aromatischen Verbindung in einem Schritt gleichzeitig nucleophil substituiert werden. Alternativ kann die nucleophile Substitution mehrerer Atome in mehreren aufeinander folgenden Schritten erfolgen.Several atoms of an aromatic compound can be nucleophilically substituted at the same time in one step. Alternatively, the nucleophilic substitution of multiple atoms can occur in several successive steps.
Jede Substitutionsreaktion kann unter Einwirkung weiterer Medien stattfinden. Dabei kann es sich um eine Base handeln. Alternativ oder zusätzlich kann die Reaktion unter Einwirkung von Aceton, Diazabicycloundecen (DBU), Dimethylformamid (DMF), Dimethylacetamid (DMAc), Dimethylsulfat (DMS), CH3I, Dimethylcarbonat oder Gemischen oder verdünnten Lösungen dieser Medien stattfinden.Every substitution reaction can take place under the influence of other media. This can be a base. Alternatively or additionally, the reaction can take place under the influence of acetone, diazabicycloundecene (DBU), dimethylformamide (DMF), dimethylacetamide (DMAc), dimethyl sulfate (DMS), CH 3 I, dimethyl carbonate or mixtures or dilute solutions of these media.
Denkbar ist auch, dass eine Substitutionsreaktion beim Abdampfen eines Lösungsmittels stattfindet, welches bevorzugt bei einer Temperatur unterhalb 150°C erfolgt.It is also conceivable that a substitution reaction takes place when a solvent is evaporated, which preferably takes place at a temperature below 150 ° C.
Zur Substitution kann ein Molekül mit einem linearen oder verzweigten, gesättigten oder ungesättigten Cn-Körper, insbesondere mit einem C2-, C3-, C6-, C8, C10-, C12-, C14-, C16-, oder einem C18-Körper, welcher an einem Ende eine Thiolgruppe trägt, verwendet werden. Bevorzugt substituiert dann ein S-Atom der Thiolgruppe ein F-Atom einer perfluoraromatischen Verbindung. Mit anderen Worten kann als Substituent ein gesättigter oder ungesättigter Kohlenwasserstoff mit einer Thiolgruppe verwendet werden. Wird ein ungesättigter Kohlenwasserstoff verwendet, kann dieser für eine nachfolgende Reaktion, insbesondere für eine Thiol-ene Klickreaktion verwendet werden.For substitution, a molecule with a linear or branched, saturated or unsaturated C n body, in particular with a C 2 -, C 3 -, C 6 -, C 8 , C 10 -, C 12 -, C 14 -, C 16 -, or a C 18 body which carries a thiol group at one end. An S atom of the thiol group then preferably substitutes an F atom of a perfluoroaromatic compound. In other words, a saturated or unsaturated hydrocarbon with a thiol group can be used as a substituent. If an unsaturated hydrocarbon is used, it can be used for a subsequent reaction, in particular for a thiol-ene click reaction.
An seinem anderen Ende kann das zur Substitution verwendete Molekül eine Quinuclidinium-Gruppe, oder eine andere quaternäre N-Gruppe, insbesondere eine Ammonium-, Imidazolium-, Benzimidazolium-, Piperidinium-, Piperazinium-, Guanidinium-, oder Pyridiniumgruppe, bevorzugt mit Gegenionen, insbesondere mit einem Bis(trifluormethylsulfonyl)amid-Anion oder einem Mineralsäure-Anion, insbesondere einem Halogenid (F-, Cl-, Br-, I-) oder SO4 2-, HSO4 -, PO4 3-, HPO4 2-, H2PO4 -, SO3 2-, SO3H-, Hydrogenphosphonat R-PO3H-, Phosphonat R-PO3 2- (R=beliebiger organischer Rest, bevorzugt ein Arylrest vorzugsweise mit elektronenziehenden Gruppierungen wie F, SO2R, NO, NO2, etc.), Carbonat CO3 2-, HCO3 -, oder mit einem organischen Carbonsäure-Anion, insbesondere CH3COO-, CF3COO-, HCOO-, tragen. Dabei ist die Auswahl der Gegenionen nicht begrenzt auf die genannten Anionen. Ferner kann das zur Substitution verwendete Molekül ein Stickstoffatom als primäre, sekundäre, tertiäre oder quaternäre Amin- bzw. Ammoniumgruppe beinhalten. At its other end, the molecule used for substitution can have a quinuclidinium group, or another quaternary N group, in particular an ammonium, imidazolium, benzimidazolium, piperidinium, piperazinium, guanidinium, or pyridinium group, preferably with counterions, in particular with a bis(trifluoromethylsulfonyl)amide anion or a mineral acid anion, in particular a halide (F-, Cl- , Br- , I- ) or SO 4 2- , HSO 4- , PO 4 3- , HPO 4 2 - , H 2 PO 4 - , SO 3 2- , SO 3 H - , hydrogen phosphonate R-PO 3 H - , phosphonate R-PO 3 2- (R=any organic radical, preferably an aryl radical preferably with electron-withdrawing groups such as F, SO 2 R, NO, NO 2 , etc.), carbonate CO 3 2- , HCO 3 - , or with an organic carboxylic acid anion, in particular CH 3 COO-, CF 3 COO-, HCOO-. The selection of counterions is not limited to the anions mentioned. Furthermore, the molecule used for substitution can contain a nitrogen atom as a primary, secondary, tertiary or quaternary amine or ammonium group.
Zur Substitution kann auch ein Molekül in der Form R - SH, R -S-, R -OH, R -NH, R -N- oder PO3R2 verwendet werden. Ferner kann zur Substitution ein Thiol mit einer endständigen Sulfonatgruppe verwendet werden. Außerdem kann zur Substitution ein Molekül C5NH10 (Piperidylrest) verwendet werden, wobei das Stickstoffatom die Position eines Fluoratoms der perfluoraromatischen Verbindung einnimmt. Insbesondere über das Stickstoffatom, wenn es positiv geladen ist, kann in weiterer Ausgestaltung ein Rest (Gegenion) angekoppelt werden, wobei der Rest bevorzugt ein Halogenid (F-, Cl-, Br-, I-) oder SO4 2-, HSO4 -, PO4 3-, HPO4 2, H2PO4 -, SO3 2-, SO3H-, Hydrogenphosphonat R-PO3H-, Phosphonat R-PO3 2-, Carbonat CO3 2-, HCO3 - oder ein organisches Carbonsäure-Anion, insbesondere CH3COO-, CF3COO-, HCOO-, ist. Der Rest kann prinzipiell jedes Anion als Gegenion enthalten, wobei Anionen wie Halogenid (F-, Cl-, Br, I-) oder SO4 2-, HSO4 -, PO4 3-, HPO4 2-, H2PO4 -, SO3 2-, SO3H-, Hydrogenphosphonat R-PO3H-, Carbonat CO3 2-, HCO3 - oder ein organisches Carbonsäure-Anion wie CH3COO-, CF3COO-, HCOO- bevorzugt sind.A molecule in the form R -SH, R -S-, R -OH, R -NH, R -N- or PO 3 R 2 can also be used for substitution. Furthermore, a thiol with a terminal sulfonate group can be used for substitution. In addition, a molecule C 5 NH 10 (piperidyl radical) can be used for substitution, with the nitrogen atom taking the position of a fluorine atom of the perfluoroaromatic compound. In particular In a further embodiment, a residue (counterion) can be coupled via the nitrogen atom if it is positively charged, the residue preferably being a halide (F - , Cl - , Br - , I - ) or SO 4 2- , HSO 4 - , PO 4 3- , HPO 4 2 , H 2 PO 4 - , SO 3 2- , SO 3 H - , hydrogen phosphonate R-PO 3 H - , phosphonate R-PO 3 2- , carbonate CO 3 2- , HCO 3 - or an organic carboxylic acid anion, in particular CH 3 COO - , CF 3 COO - , HCOO - . The remainder can in principle contain any anion as a counterion, with anions such as halide (F - , Cl - , Br, I - ) or SO 4 2- , HSO 4 - , PO 4 3- , HPO 4 2- , H 2 PO 4 - , SO 3 2- , SO 3 H - , hydrogen phosphonate R-PO 3 H - , carbonate CO 3 2- , HCO 3 - or an organic carboxylic acid anion such as CH 3 COO - , CF 3 COO - , HCOO - are preferred .
Wenn das zur Substitution verwendete Molekül die Form S - R besitzt, wobei das Schwefelatom die Position des substituierten Fluoratoms einnimmt oder einnehmen soll, kann der Rest R wie in der nachstehenden Abbildung dargestellt ausgebildet sein.
Ferner kann das zur Substitution verwendete Molekül SO3 - mit einem Gegenion, insbesondere mit einem Gegenkation, bevorzugt mit einem Metall-Gegenkation oder mit einem Ammonium-Gegenkation in der Form NR4 + mit R = H, Alkyl, Aryl oder mit einem anderen N-basischen Kation, insbesondere Imidazolium, Benzimidazolium, Guanidinium, substituiert sein/ werden. Eine funktionelle Gruppe kann C5NH10 enthalten, wobei das Stickstoffatom das Fluoratom der perfluoraromatischen Verbindung substituiert. Insbesondere über das Stickstoffatom kann ein Rest bzw. Gegenanion, wobei der Rest bevorzugt ein Halogenid (F-, Cl-, Br-, I-) oder SO4 2-, HSO4 -, PO4 3-, HPO4 2-, H2PO4 -, SO3 2-, SO3H-, Hydrogenphosphonat R-PO3H-, Phosphonat R-PO3 2-, Carbonat CO3 2-, HCO3 - oder ein organisches Carbonsäure-Anion wie CH3COO-, CF3COO-, HCOO- ist. Bei dem Rest, bzw. dem Gegenanion kann es sich insbesondere um Mineralsäure-Anionen (darunter Halogenide, Sulfate, Sulfite, Phosphate, Carbonate, (Per-)chlorate, Borate), oder organische Gegenanionen, bevorzugt Bis(sulfonyl)imide, Carbonsäurederivate, Sulfonsäurederivate, Phosphonsäurederivate), handeln.Furthermore, the molecule SO 3 - used for the substitution can be with a counterion, in particular with a countercation, preferably with a metal countercation or with an ammonium countercation in the form NR 4 + with R = H, alkyl, aryl or with another N -basic cation, in particular imidazolium, benzimidazolium, guanidinium, can be/will be substituted. A functional group may contain C 5 NH 10 , where the nitrogen atom substitutes the fluorine atom of the perfluoroaromatic compound. In particular, via the nitrogen atom, a residue or counteranion can be formed, the residue preferably being a halide (F - , Cl - , Br - , I - ) or SO 4 2- , HSO 4 - , PO 4 3- , HPO 4 2- , H 2 PO 4 - , SO 3 2- , SO 3 H - , hydrogen phosphonate R-PO 3 H - , phosphonate R-PO 3 2- , carbonate CO 3 2- , HCO 3 - or an organic carboxylic acid anion such as CH 3 COO - , CF 3 COO - , HCOO- is. The remainder or the counteranion can in particular be mineral acid anions (including halides, sulfates, sulfites, phosphates, carbonates, (per-)chlorates, borates), or organic counteranions, preferably bis(sulfonyl)imides, carboxylic acid derivatives, sulfonic acid derivatives, phosphonic acid derivatives).
Die stattfindende Substitution kann derart ausgestaltet sein, dass eine funktionelle Gruppe an mehreren, insbesondere an zwei perfluoraromatischen Verbindungen zweier organischer polymerer Ketten angekoppelt wird, so dass die funktionelle Gruppe die Ketten miteinander vernetzt. Dieser Ausgestaltung liegt die Überlegung zugrunde, die polymeren Ketten nicht unabhängig voneinander zu funktionalisieren, sondern so zu funktionalisieren, dass sie zusätzlich miteinander vernetzt werden. Dadurch können insbesondere die mechanischen Eigenschaften des Stoffs beeinflusst werden.The substitution that takes place can be designed in such a way that a functional group is coupled to several, in particular to two, perfluoroaromatic compounds of two organic polymeric chains, so that the functional group crosslinks the chains with one another. This embodiment is based on the idea of not functionalizing the polymeric chains independently of one another, but rather functionalizing them in such a way that they are additionally networked with one another. This can particularly influence the mechanical properties of the material.
Konkret kann die funktionelle Gruppe kettenartig ausgebildet sein und an beiden Enden jeweils ein Schwefelatom aufweisen, welches je ein Fluoratom einer perfluoraromatischen Verbindung nucleophil substituiert. Zwischen den Schwefelatomen können ein oder mehrere Cn-Körper und/oder eine Repetiereinheit enthalten sein.Specifically, the functional group can be designed like a chain and have a sulfur atom at both ends, which nucleophilically substitutes a fluorine atom of a perfluoroaromatic compound. One or more C n bodies and/or a repeating unit can be contained between the sulfur atoms.
In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens können im Anschluss an die nucleophile Substitution weitere Nachfolgereaktionen ablaufen, für welche die funktionellen Gruppen eine Reaktionsbasis bilden. Dabei können die Reste der funktionellen Gruppen, welche nach der stattgefundenen Substitution an eine perfluoraromatischen Verbindung gekoppelt wurden, als Basis für weitere Nachfolgereaktionen verwendet werden. Diese umfassen unter anderem den Austausch der Gegenionen eines positiv oder negativ geladenen Rests der funktionellen Gruppe, eine Veränderung der Reste der funktionellen Gruppe oder die Verwendung eines aromatischen/ungesättigten Rests der funktionellen Gruppe.In a further embodiment of the method according to the invention, further subsequent reactions can take place following the nucleophilic substitution, for which the functional groups form a reaction basis. The residues of the functional groups that were coupled to a perfluoroaromatic compound after the substitution has taken place can be used as a basis for further subsequent reactions. These include, among others, the exchange of the counterions of a positively or negatively charged residue of the functional group, a change in the residues of the functional group or the use of an aromatic/unsaturated residue of the functional group.
Konkret können die Gegenionen eines quaternären Ammoniumsalzes oder einer Säuregruppe, welche Teil der funktionellen Gruppe sind, ausgetauscht werden. Ungesättigte Reste der funktionellen Gruppe können zur nachgelagerten Funktionalisierung oder Vernetzung des Polymers/Oligomers mit der perfluoroaromatischen Verbindung verwendet werden.Specifically, the counterions of a quaternary ammonium salt or an acid group that are part of the functional group can be exchanged. Unsaturated residues of the functional group can be used for downstream functionalization or crosslinking of the polymer/oligomer with the perfluoroaromatic compound.
Die Modifizierung des synthetisierten Polymers in einer Folgereaktion und/oder die Modifizierung des Ausgangsstoffs in einer Vorabreaktion kann auch eine polymeranaloge Reaktion umfassen. Bei einer polymeranalogen Reaktion wird eine funktionelle Gruppe durch eine chemische Reaktion in eine andere funktionelle Gruppe überführt.The modification of the synthesized polymer in a subsequent reaction and/or the modification of the starting material in a preliminary reaction can also include a polymer-analogous reaction. In a polymer-analog reaction, a functional group is converted into another functional group through a chemical reaction.
Die Modifizierung in einer Folgereaktion und/oder in einer Vorabreaktion kann auch eine Alkylierung von basischen Stickstoffatomen zu tertiären oder quaternären N-basischen Verbindungen umfassen. Ferner kann die Folgereaktion und/oder die Vorabreaktion auch mikrowellen-unterstützt ablaufen, insbesondere eine mikrowellen-unterstützte Synthese umfassen. Dadurch kann eine Beschleunigung der Reaktion und gegebenenfalls eine Erhöhung des Umsetzungsgrads (der Ausbeute) erzielt werden. Ebenfalls kann die Selektivität der Reaktion verbessert werden.The modification in a subsequent reaction and/or in a preliminary reaction can also include an alkylation of basic nitrogen atoms to give tertiary or quaternary N-basic compounds. Furthermore, the subsequent reaction and/or the preliminary reaction can also be microwave-assisted, in particular include a microwave-assisted synthesis. This allows the reaction to be accelerated and, if necessary, the degree of conversion (yield) to be increased. The selectivity of the reaction can also be improved.
Mögliche Modifizierungen in einer Folgereaktion und/oder in einer Vorabreaktion können dabei an halogenierten, vorzugsweise chlorierten oder bromierten oder iodierten Polymeren oder Monomeren eine Lithiierungsreaktion sein oder umfassen. Das Reaktionsschema eines Polymers, bei welchem Brom direkt an den Aromaten angebunden ist, ist nachstehend dargestellt.
Alternativ kann Brom in benzylischer Stellung oder an einen Alkylenrest gebunden sein. Das entsprechende Reaktionsschema ist nachstehend dargestellt.
Ein solches lithiiertes Monomer oder ein lithiiertes PHA-Polymer kann mit weiteren Reaktionen, d.h. weiteren Vorabreaktionen im Fall eines Monomers oder Folgereaktionen im Fall eines Polymers, umgesetzt werden. Dabei kann es sich beispielsweise um eine Sulfinat-S-Alkylierung oder um eine Suzuki-Kopplung handeln. Weitere beispielhafte Folgereaktionen sind in dem nachfolgenden Reaktionsschema dargestellt.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung kann das lithiierte PHA-Polymer mit einem Carbonyl-Derivat eines Di-(Cyclopentadienyl)-Übergangsmetall-Komplexes, insbesondere Ferrocenaldehyd, Acetylferrocen oder Ferrocensäurechlorid, umgesetzt werden. Durch eine anschließende partielle oder komplette Oxidation des Übergangsmetall-Zentralatoms des Komplexes zu einem Anionenaustauscherpolymer erhält man ein Material mit einer exzellenten chemischen Stabilität. Wird bei der Herstellung von Membranen aus einer Lösung des partiell oxidierten, ans Polymer angebundenen Di-(Cyclopentadienyl)-Übergangsmetall-Komplexes in einem (vorzugsweise) dipolar-aprotischen Lösungsmittel wie DMAc, DMF, DMSO, Sulfolan etc. ein magnetisches Feld eingesetzt, wobei die Feldlinien des Magnetfeldes senkrecht zur Membranfläche ausgerichtet sind, können die metallhaltigen Funktionsgruppen in Richtung des Magnetfelds ausgerichtet werden, was zur Ausbildung ionenleitender Kanäle „through-plane“ und damit zu einer höheren Leitfähigkeit führt, als wenn die ionenleitfähigen Kanäle nicht im Magnetfeld ausgerichtet sind (zum proof-of-principle dieses neuartigen Polymertyps in Form von partiell oxidiertem Vinylferrocen siehe folgende Studie:
Als Folge- bzw. Vorabreaktion kann auch eine Benzylbromierung mit N-Brom-Succinimid (NBS) und eine weitere Reaktion der Brommethylgruppe, insbesondere eine Reaktion mit einem tertiären Amin zu einem Anionenaustauscherpolymer stattfinden. Denkbar ist auch eine Lithiierung an der Methylgruppe eines Aromaten mit n-Butyllithium, gefolgt von weiteren Reaktionen, insbesondere das Aufgraften eines anionisch polymerisierbaren Polymers, insbesondere Polystyrol, Poly(4-vinylpyridin) oder Poly(diethylvinylphosphonat). Die entsprechenden Reaktionen können dabei sowohl als Vorabreaktion zur Modifizierung des Ausgangsstoffs, als auch als Folgereaktion zur Modifizierung des synthetisierten (PHA-)Polymers stattfinden.As a subsequent or preliminary reaction, a benzyl bromination with N-bromo-succinimide (NBS) and a further reaction of the bromomethyl group, in particular a reaction with a tertiary amine, to form an anion exchange polymer can also take place. Lithiation on the methyl group of an aromatic with n-butyllithium is also conceivable, followed by further reactions, in particular the grafting of an anionically polymerizable polymer, in particular polystyrene, poly(4-vinylpyridine) or poly(diethylvinylphosphonate). The corresponding reactions can take place both as a preliminary reaction to modify the starting material and as a subsequent reaction to modify the synthesized (PHA) polymer.
Die Modifizierung des synthetisierten Polymers in einer Folgereaktion und/oder die Modifizierung des Ausgangsstoffs in einer Vorabreaktion kann auch eine Suzuki-Miyaura-Kopplungsreaktion und/oder eine elektrophile Sulfonierungsreaktion und/oder eine Phosphonierungsreaktion und/oder eine Aminierungsreaktion und/oder eine Thiolierungsreaktion umfassen. Als Sulfonierungsagens kann konzentrierte Schwefelsäure oder TMSA (Trimethylsilylacetylen) oder Chlorsulfonsäure (ClSOH) oder Oleum (H2SO4 mit 5-65% SO3) oder Trimethylsilylchlorsulfat (TMS-OSO2-Cl) oder eine Kombination dieser Materialien verwendet werden.The modification of the synthesized polymer in a subsequent reaction and/or the modification of the starting material in a preliminary reaction may also include a Suzuki-Miyaura coupling reaction and/or an electrophilic sulfonation reaction and/or a phosphonation reaction and/or an amination reaction and/or a thiolation reaction. Concentrated sulfuric acid or TMSA (trimethylsilylacetylene) or chlorosulfonic acid (ClSOH) or oleum (H 2 SO 4 with 5-65% SO 3 ) or trimethylsilyl chlorosulfate (TMS-OSO 2 -Cl) or a combination of these materials can be used as the sulfonating agent.
Durch die Modifizierung des synthetisierten Polymers in einer Folgereaktion bzw. die Modifizierung des Ausgangsstoffs in einer Vorabreaktion können auch ionische und/oder kovalente Vernetzungen zwischen den einzelnen Polymerketten gebildet werden. Dadurch wird prinzipiell die Quellung/Wasseraufnahme verringert, wodurch sich eine Verbesserung des Eigenschaftsprofils von aus dem Stoff hergestellten Membranen ergibt. Dies kann beispielsweise durch nucleophile Substitution eines Pentafluorphenylrests eines Polymers durch ein aromatisches oder aliphatisches Dithiol stattfinden.By modifying the synthesized polymer in a subsequent reaction or modifying the starting material in a preliminary reaction, ionic and/or covalent crosslinks can also be formed between the individual polymer chains. In principle, this reduces swelling/water absorption, which results in an improvement in the property profile of membranes made from the material. This can take place, for example, by nucleophilic substitution of a pentafluorophenyl residue of a polymer with an aromatic or aliphatic dithiol.
Im Fall einer Friedel-Crafts-Acylierung und/oder einer Friedel-Crafts-Alkylierung kann eine Quaternisierung des Polymers mit einer beliebigen anderen tertiären N-basischen Verbindung durchgeführt werden. Beispielhaft kann es sich bei den Verbindungen um Tetramethylimidazol, Trimethylamin, N-Methylpiperidin, N-Methyl-Piperazin oder 3-Methyl-3,6-Diazaspiro[5.5]undecan-6-i-umbromid handeln. An einem Pentafluorphenylrest des synthetisierten Polymers können beliebige nucleophile aromatische Substitutionen durchgeführt werden.In the case of Friedel-Crafts acylation and/or Friedel-Crafts alkylation, quaternization of the polymer can be carried out with any other tertiary N-basic compound. By way of example, the compounds can be tetramethylimidazole, trimethylamine, N-methylpiperidine, N-methylpiperazine or 3-methyl-3,6-diazaspiro[5.5]undecane-6-i-umbromide. Any nucleophilic aromatic substitutions can be carried out on a pentafluorophenyl residue of the synthesized polymer.
Die Modifizierung in einer Vorabreaktion oder in einer Folgereaktion kann auch ein Dotieren umfassen, insbesondere mit Phosphorsäure oder einer beliebigen Phosphonsäure, was sich insbesondere für den Einsatz in Hochtemperatur-Membranbrennstoffzellen als vorteilhaft herausgestellt hat. Die auf diese Art dotierten Membranen können durch Blenden mit einem anderen Polymer, insbesondere mit Poly(vinylbenzylchlorid) (PVBCI) zu einer kovalent vernetzten Blendmembran umgesetzt werden. Konkret kann dies durch Reaktion der Chlormethylgruppen des PVBCI mit dem N-H-der Imidazolfunktion erfolgen, oder durch Blenden mit einem sauren sulfonierten oder phosphonierten Polymer zu Säure-Base-Blendmembranen.The modification in a preliminary reaction or in a subsequent reaction can also include doping, in particular with phosphoric acid or any phosphonic acid, which has proven to be particularly advantageous for use in high-temperature membrane fuel cells. The membranes doped in this way can be converted into a covalently cross-linked blend membrane by blending with another polymer, in particular with poly(vinylbenzyl chloride) (PVBCI). Specifically, this can be done by reacting the chloromethyl groups of the PVBCI with the N-H-of the imidazole function, or by blending with an acidic sulfonated or phosphonated polymer to form acid-base blend membranes.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann ferner das Blenden des synthetisierten Polymers mit einem weiteren Polymer unter Bildung eines geblendeten Polymergemischs umfassen. Mit anderen Worten ist vorgesehen, dass das mittels Polyhydroxyalkylierung synthetisierte Polymer, welches entsprechende Modifikationen aufweist, mit mindestens einem anderen Polymer gemischt wird.The method of the invention may further comprise blending the synthesized polymer with another polymer to form a blended polymer mixture. In other words, it is envisaged that the polymer synthesized by polyhydroxyalkylation, which has corresponding modifications, is mixed with at least one other polymer.
Dabei können durch das Blenden Vernetzungen, insbesondere ionische und/oder kovalente Vernetzungen zwischen den Polymeren entstehen. Auf diese Weise können die mechanische und chemische Stabilität von aus solchen Stoffen hergestellten Membranen gegenüber nur aus dem synthetisierten Polymer bestehenden Membranen verbessert werden. Gleichzeitig kann die lonenleitfähigkeit gesteigert werden.The blending can result in crosslinks, in particular ionic and/or covalent crosslinks, between the polymers. In this way, the mechanical and chemical stability of membranes made from such materials can be improved compared to membranes consisting only of the synthesized polymer. At the same time, the ion conductivity can be increased.
Möglich ist auch, dass eine weitere Nachbehandlung des geblendeten Polymergemischs stattfindet. Konkret kann eine Dotierung stattfinden. Die Dotierung des geblendeten Polymergemischs kann mit Mineralsäuren, insbesondere mit Schwefelsäure oder Phosphorsäure oder einer beliebigen organischen Phosphonsäure der Struktur R(PO3H2)x (R=beliebiger organischer Rest, vorzugsweise eine elektronenarme aromatische Gruppierung wie eine mit einem oder mehreren F oder einer oder mehreren anderen elektronenziehenden Gruppen wie NO, NO2, SO2R etc., weil elektronenziehende Gruppen die Acidität und damit die lonenleitfähigkeit der Phosphonsäure erhöhen, x=1-12), stattfinden. Ferner kann die Nachbehandlung die Einführung weiterer lonenaustauschergruppen, insbesondere mittelstark bis stark saurer Phosphonsäure- und/oder saurer Sulfonsäure-Gruppen und/oder stark saurer Sulfonimidgruppen umfassen.It is also possible that further post-treatment of the blended polymer mixture takes place. Specifically, doping can take place. The blended polymer mixture can be doped with mineral acids, in particular with sulfuric acid or phosphoric acid or any organic phosphonic acid of the structure R(PO 3 H 2 ) x (R=any organic radical, preferably an electron-poor aromatic group such as one with one or more F or one or several other electron-withdrawing groups such as NO, NO 2 , SO 2 R etc., because electron-withdrawing groups increase the acidity and thus increasing the ionic conductivity of the phosphonic acid, x=1-12). Furthermore, the aftertreatment can include the introduction of further ion exchange groups, in particular moderately to strongly acidic phosphonic acid and/or acidic sulfonic acid groups and/or strongly acidic sulfonimide groups.
Ferner können am geblendeten Polymergemisch Anionenaustauschergruppen generiert werden. Die Generierung von Anionenaustauschergruppen kann durch die Alkylierung (Quaternisierung) von in dem geblendeten Polymergemisch enthaltenen beliebigen tertiären N-basischen Gruppen und/oder durch die Reaktion von in dem geblendeten Polymergemisch enthaltenen Halomethylgruppen der Form CH2Hal mit Hal=Cl, Br, I mit tertiären N-basischen Gruppen erfolgen. Durch diese Verfahrensschritte können die Eigenschaften des so erhaltenen Stoffs und insbesondere einer aus diesem Stoff hergestellten Membran weiter verbessert werden.Furthermore, anion exchange groups can be generated on the blinded polymer mixture. Anion exchange groups can be generated by the alkylation (quaternization) of any tertiary N-basic groups contained in the blended polymer mixture and/or by the reaction of halomethyl groups of the form CH 2 Hal with Hal=Cl, Br, I contained in the blended polymer mixture tertiary N-basic groups. Through these process steps, the properties of the material thus obtained and in particular of a membrane made from this material can be further improved.
Ein durch ein solches Verfahren hergestellter Stoff zeichnet sich durch ein besonders günstiges Eigenschaftsprofil aus. Konkret kann der Stoff ein synthetisiertes Polymer sein, welches an den Aromaten direkt gebundene Halogene Hal enthält (Hal=CI, Br, I). Diese können bereits in den Monomeren des Ausgangsstoffs enthalten sein oder durch eine polymeranaloge Bromierung der synthetisierten Polymere mit elementarem Brom, gegebenenfalls unter einer FeCl3-oder AlCl3-Katalyse, oder durch Reaktion mit NBS (N-Brom-Succinimid) entstanden sein.A material produced using such a process is characterized by a particularly favorable property profile. Specifically, the substance can be a synthesized polymer that contains halogens Hal directly bound to the aromatics (Hal=CI, Br, I). These can already be contained in the monomers of the starting material or can have been created by a polymer-analogous bromination of the synthesized polymers with elemental bromine, optionally with FeCl 3 or AlCl 3 catalysis, or by reaction with NBS (N-bromo-succinimide).
Möglich ist auch, dass die durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten Stoffe mittels Elektrospinnen oder Zentrifugalspinnen zu Fasermatten, insbesondere porösen Fasermatten, die auch als Wirrvliese bezeichnet werden, verarbeitet werden. In einem weiteren Schritt können die Fasermatten mit einem zweiten Polymer getränkt werden, entweder mit einem erfindungsgemäßen Kationenaustauscher- oder Anionenaustauscherpolymer oder mit einem erfindungsgemäßen basischen Polymer, und/oder mit einem inerten Füllpolymer. Auf diese Weise können Kompositmembranen aus der Fasermatte und dem infiltrierten Polymer, bei denen die Fasermatte als mechanische Verstärkung fungiert und, je nach Typ des Polymers, aus dem die Fasermatte besteht, sogar ionenleitfähig sein, wenn das Material der Fasermatte aus einem Kationenaustauscher- oder einem Anionenaustauscherpolymer besteht oder aus einer Mischung eines Anionenaustauscherpolymers mit einem Kationenaustauscherpolymer. Auch die Mischung eines sulfonierten Polymers mit einem basischen Polymer kann gegebenenfalls zu Fasern versponnen werden, wobei sich die Leitfähigkeit der Fasern durch das molare Mischungsverhältnis zwischen den Polymeren einstellen lässt. Solange im Polymergemisch das saure Polymer im molaren Überschuss ist, sind die Fasern kationenleitfähig. Ist das molare Mischungsverhältnis zwischen sauren und basischen Polymeren 1:1, d.h. sind keine überschüssigen kationenleitfähigen Gruppen mehr vorhanden, sind die Fasern nicht mehr kationenleitfähig.It is also possible for the materials produced by the method according to the invention to be processed into fiber mats, in particular porous fiber mats, which are also referred to as tangled nonwovens, by means of electrospinning or centrifugal spinning. In a further step, the fiber mats can be impregnated with a second polymer, either with a cation exchange or anion exchange polymer according to the invention or with a basic polymer according to the invention, and / or with an inert filler polymer. In this way, composite membranes made of the fiber mat and the infiltrated polymer, in which the fiber mat acts as a mechanical reinforcement and, depending on the type of polymer from which the fiber mat is made, can even be ion-conductive if the material of the fiber mat is made of a cation exchange or a Anion exchange polymer consists or a mixture of an anion exchange polymer with a cation exchange polymer. The mixture of a sulfonated polymer with a basic polymer can also optionally be spun into fibers, whereby the conductivity of the fibers can be adjusted by the molar mixing ratio between the polymers. As long as there is a molar excess of acidic polymer in the polymer mixture, the fibers are cation-conductive. If the molar mixing ratio between acidic and basic polymers is 1:1, i.e. there are no excess cation-conducting groups left, the fibers are no longer cation-conductive.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ist ferner gelöst durch eine Membran, welche einen solchen Stoff, der durch ein Verfahren wie zuvor beschrieben hergestellt wurde, umfasst oder aus einem solchen Stoff besteht. The object on which the invention is based is further achieved by a membrane which comprises or consists of such a substance, which was produced by a method as described above.
Die Dicke der Membran kann weniger als 100 µm, insbesondere weniger als 75 µm, bevorzugt weniger als 50 µm betragen. Zur Herstellung der Membran kann dabei der Stoff, der durch ein Verfahren wie zuvor beschrieben hergestellt wurde, in einem geeigneten Lösungsmittel aufgelöst werden und auf eine entsprechende Oberfläche gerakelt werden. Dadurch ergeben sich entsprechende Dicken der Membran. In bevorzugter Ausgestaltung kann es sich um eine lonenaustauschermembran, bevorzugt einen Kationenaustauschermembran oder eine Anionenaustauschermembran handeln.The thickness of the membrane can be less than 100 μm, in particular less than 75 μm, preferably less than 50 μm. To produce the membrane, the material, which was produced using a process as described above, can be dissolved in a suitable solvent and doctored onto a corresponding surface. This results in appropriate membrane thicknesses. In a preferred embodiment, it can be an ion exchange membrane, preferably a cation exchange membrane or an anion exchange membrane.
Gegenstand der Erfindung ist ferner die Verwendung einer solchen Membran in einer Brennstoffzelle, insbesondere in einer Hochtemperatur- oder einer Niedertemperaturbrennstoffzelle und/oder in einer Direktalkoholbrennstoffzelle, oder in einer Batterie, insbesondere in einer Redox-Flow-Batterie, und/oder in einem elektrochemischen Prozess, insbesondere in einem Elektrolyse-Prozess oder in einem Elektrosynthese-Prozess, bevorzugt in einem Wasserelektrolyse-Prozess, und/oder als Protonenaustauschermembran.The invention furthermore relates to the use of such a membrane in a fuel cell, in particular in a high-temperature or a low-temperature fuel cell and/or in a direct alcohol fuel cell, or in a battery, in particular in a redox flow battery, and/or in an electrochemical process , in particular in an electrolysis process or in an electrosynthesis process, preferably in a water electrolysis process, and / or as a proton exchange membrane.
Für die weitere Ausgestaltung der Erfindung wird auf die Unteransprüche und auf die nachfolgende Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren verwiesen. Die in der Beschreibung der Ausführungsbeispiele genannten Stoffe, insbesondere die genannten Polymere, sind bevorzugte Ausgestaltungen eines Stoffs gemäß der vorliegenden Erfindung. In den Figuren zeigen
-
1 ein Reaktionsschema eines erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; -
2 ein Reaktionsschema von erfindungsgemäßen Verfahren gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; -
3 ein Reaktionsschema einer weiteren möglichen Folgereaktion der inder 2 dargestellten Verfahren; -
4 ein Reaktionsschema eines erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; -
5a ,5b Reaktionsschemata von erfindungsgemäßen Verfahren gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; -
6 ein Reaktionsschema von erfindungsgemäßen Verfahren gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; -
7 ein Reaktionsschema eines erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; -
8 ein Reaktionsschema des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; -
9 eine alternative oder ergänzende Vorabreaktion zudem Verfahren aus 8 ; -
10 ein 1H-NMR-Spektrum eines Copolymers aus Paraterphenyl und 1-(1 H-Benzimidazol-2-yl)ethanon (Ausführungsbeispiel 8); -
11 eine GPC-Kurve des Copolymers aus10 ; -
12 ein 1H-NMR-Spektrum des vollständig methyliertem Copolymers aus Paraterphenyl und 1-(1 H-Benzimidazol-2-yl)ethanon im Vergleich zum unmethylierten Ausgangspolymer; -
13 ein 1H-NMR-Spektrum des Copolymers aus10 , welchesmit 1,2-bis-(Chlorethoxy)-Ethan umgesetzt wurde im Vergleich zum Ausgangspolymer; -
14 ein 1H-NMR Spektrum des Copolymers aus para-Terphenyl und 1-(1H-Benzimidazol-2-yl)ethanon, welchesmit 1,2-Bis-(chlorethoxy)-ethan umgesetzt wurde in DMSO-d8, welches mit Trimethylamin zu einem Anionentauscherpolymer quarternisiert wurde; -
15 ein 1H-NMR-Spektrum des Copolymers aus m-Terphenyl, Biphenyl und 4-Acetylpyridin in CH2Cl2 (Ausführungsbeispiel 9); -
16 ein 1H-NMR-Spektrum des zu 15% methylierten Copolymers aus15 ; -
17a ,17b eine Grafik mit Coulomb-Effizienz, Spannungs-Effizienz und Energie-Effizienz einer Membran aus denStoffen des Ausführungsbeispiels 9; -
18 ein Reaktionsschema eines erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einem zehnten Ausführungsbeispiel; -
19 das 1H-NMR-Spektrum des mittels des Reaktionsschemas aus18 hergestellten Stoffs; -
20 ein Reaktionsschema einer Vorabreaktion eines erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einem elften Ausführungsbeispiel; -
21 das 1H-NMR-Spektrum des Stoffs, welcher durch das Verfahren gemäßdem Reaktionsschema aus 20 hergestellt wurde; -
22 ein Reaktionsschema einer Polyhydroxyalkylierung, wobei ein Ausgangsstoff mit dem inder 20 dargestellten Verfahren modifiziert wurde; -
23 ein Reaktionsschema eines erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einem zwölften Ausführungsbeispiel; -
24 das 1H-NMR-Spektrum des mittels des in23 dargestellten Verfahren erhaltenen Stoffs; und -
25 das 1H-NMR-Spektrum eines Stoffs erhalten aus einem erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einem 13. Ausführungsbeispiel; -
26 das 19F-NMR-Spektrum des Stoffs erhalten durch einVerfahren gemäß dem 13. Ausführungsbeispiel; -
27 ein weiteres 1H-NMR-Spektrum des Ausgangspolymers und des modifizierten sulfonierten Polymers des 13. Ausführungsbeispiels; -
28 Strukturformeln von Polymeren, die gemäß einem 14. Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt wurden; und -
29 ein 19F-NMR-Spektrum eines doppelt phosphonierten Copolymers aus p-Terphenyl und Perfluoracetophenon (15. Ausführungsbeispiel).
-
1 a reaction scheme of a method according to the invention according to a first embodiment of the present invention; -
2 a reaction scheme of processes according to the invention according to a second embodiment of the present invention; -
3 a reaction scheme of another possible subsequent reaction in the2 procedures presented; -
4 a reaction scheme of a method according to the invention according to a third embodiment of the present invention; -
5a ,5b Reaction schemes of processes according to the invention according to a fourth embodiment of the present invention; -
6 a reaction scheme of processes according to the invention according to a fifth embodiment of the present invention; -
7 a reaction scheme of a method according to the invention according to a sixth embodiment of the present invention; -
8th a reaction scheme of the process according to the invention according to a seventh embodiment of the present invention; -
9 an alternative or supplementary preliminary reaction to the procedure8th ; -
10 a 1 H NMR spectrum of a copolymer of paraterphenyl and 1-(1 H-benzimidazol-2-yl)ethanone (Example 8); -
11 a GPC curve of thecopolymer 10 ; -
12 a 1 H NMR spectrum of the fully methylated copolymer of paraterphenyl and 1-(1 H-benzimidazol-2-yl)ethanone in comparison to the unmethylated starting polymer; -
13 a 1 H NMR spectrum of thecopolymer 10 , which was reacted with 1,2-bis-(chloroethoxy)-ethane compared to the starting polymer; -
14 a 1 H-NMR spectrum of the copolymer of para-terphenyl and 1-(1H-benzimidazol-2-yl)ethanone, which was reacted with 1,2-bis-(chlorethoxy)-ethane in DMSO-d 8 , which was reacted with trimethylamine was quaternized to an anion exchange polymer; -
15 a 1 H-NMR spectrum of the copolymer of m-terphenyl, biphenyl and 4-acetylpyridine in CH 2 Cl 2 (Example 9); -
16 a 1 H-NMR spectrum of the 15% methylatedcopolymer 15 ; -
17a ,17b a graphic with Coulomb efficiency, voltage efficiency and energy efficiency of a membrane made from the materials ofexemplary embodiment 9; -
18 a reaction scheme of a method according to the invention according to a tenth exemplary embodiment; -
19 the 1 H-NMR spectrum of the using the reaction scheme18 manufactured fabric; -
20 a reaction scheme of a preliminary reaction of a method according to the invention according to an eleventh exemplary embodiment; -
21 the 1 H-NMR spectrum of the substance produced by the process according to thereaction scheme 20 was produced; -
22 a reaction scheme of a polyhydroxyalkylation, where a starting material with that in the20 the procedure presented has been modified; -
23 a reaction scheme of a method according to the invention according to a twelfth exemplary embodiment; -
24 the 1 H-NMR spectrum of the using the in23 material obtained by the process shown; and -
25 the 1 H-NMR spectrum of a substance obtained from a method according to the invention according to a 13th exemplary embodiment; -
26 the 19 F NMR spectrum of the substance obtained by a method according to the 13th embodiment; -
27 a further 1 H-NMR spectrum of the starting polymer and the modified sulfonated polymer of the 13th embodiment; -
28 Structural formulas of polymers which were produced according to a 14th embodiment of a method according to the invention; and -
29 a 19 F NMR spectrum of a doubly phosphonated copolymer of p-terphenyl and perfluoroacetophenone (15th embodiment).
Ausführungsbeispiel 1Example 1
Die
Ausführungsbeispiel 2Example 2
Die
Im Anschluss an die Sulfonierung kann zur Verbesserung der Protonenleitfähigkeit insbesondere bei Temperaturen über 100° eine zusätzliche Phosphonierung stattfinden. Die Verbesserung der Protonenleitfähigkeit ergibt sich aus der Eigenprotonenleitfähigkeit der Phospohonsäuregruppe (Polymer 3c). Davon ausgehend kann durch eine nucleophile Substitutionsreaktion eine Alkylseitenkette eingebracht werden (Polymer 3ca), wodurch die Sprödigkeit des so erhaltenen Polymers verringert wird.Following the sulfonation, additional phosphonation can take place to improve the proton conductivity, especially at temperatures above 100°. The improvement in proton conductivity results from the intrinsic proton conductivity of the phosphonic acid group (
Das sulfonierte Polymer 3 kann, wie in der
Ausführungsbeispiel 3Example 3
Ein alternatives Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ist in
Ausführungsbeispiel 4Example 4
Ausführungsbeispiel 5Example 5
Die
Denkbar ist ferner eine Dotierung mit Phosphorsäure (PA) oder einer beliebigen Phosphonsäure (PhnA) R(PO3H2)x (R= beliebiger organischer Rest, dabei R bevorzugt aromatischer Rest mit elektronenziehenden Gruppen/Atomen wie F, NO, NO2, SO2R etc., x=1-12), um das Polymer in Hochtemperatur-Membranbrennstoffzellen einsetzen zu können. Dabei können die PA-dotierten Hochtemperaturmembranen durch Blenden mit Poly(vinylbenzylchlorid) (PVBCI) zu einer kovalent vernetzten Blendmembran umgesetzt werden, indem die Chlormethylgruppen des PVBCI mit den N-H der Imidazolfunktion reagieren. Anstatt PVBCI kann für das reaktive Blenden (Reaktion der CH2Hal-Gruppen mit N-H) des PHA-Polymers aus 1-(1 H-Benzo[d]imidazol-2-yl)ethan-1-on und p-Terphenyl auch ein Styrolpolymer verwendet werden, das die Halomethylgruppe CH2Br oder CH2Cl am Ende einer Seitenkette trägt, die in 4-Stellung des Aromaten des Polystyrols angebracht ist (beispielsweise das Polymer, das mittels radikalischer Polymerisation aus 1-(6-Chlorhexyl)-4-vinylbenzol hergestellt werden kann). Alternativ ist auch durch Blenden mit einem sauren sulfonierten oder phosphonierten Polymer die Herstellung einer Säure-Base-Blendmembran denkbar. It is also conceivable to dope with phosphoric acid (PA) or any phosphonic acid (PhnA) R(PO 3 H 2 ) SO 2 R etc., x=1-12) in order to be able to use the polymer in high-temperature membrane fuel cells. The PA-doped high-temperature membranes can be converted into a covalently cross-linked blend membrane by blending with poly(vinylbenzyl chloride) (PVBCI) by reacting the chloromethyl groups of the PVBCI with the NH of the imidazole function. Instead of PVBCI, one can also be used for the reactive blending (reaction of the CH 2 Hal groups with NH) of the PHA polymer from 1-(1 H-benzo[d]imidazol-2-yl)ethan-1-one and p-terphenyl Styrenic polymer can be used which carries the halomethyl group CH 2 Br or CH 2 Cl at the end of a side chain which is attached in the 4-position of the aromatic of the polystyrene (for example the polymer obtained by free radical polymerization from 1-(6-chlorohexyl)-4 -vinylbenzene can be produced). Alternatively, it is also conceivable to produce an acid-base blend membrane by blending with an acidic sulfonated or phosphonated polymer.
Ausführungsbeispiel 6Example 6
Die
Denkbar ist, dass das durch Alkylierung des Polymers 9 hergestellte Anionenaustauscherpolymer 9a mit einem beliebigen basischen Polymer, beispielsweise mit dem Polymer 8 aus der
Ausführungsbeispiel 7Example 7
Die
In der
Gemäß dem Reaktionsschema in der
Ausführungsbeispiel 8
Poly(terphenyl-co-1-(1H-Benzimidazol-2-yl)ethanon) (Polymer 8)Poly(terphenyl-co-1-(1H-Benzimidazol-2-yl)ethanone) (Polymer 8)
Ein Terphenylderivat wie para-Terphenyl und ein aromatisches Keton wie 1-(1H-Benzimidazol-2-yl)ethanon werden in einem halogenierten Lösungsmittel wie Dichlormethan suspendiert, wobei bevorzugt mit einem Überschuss des Ketons zwischen 1.00 und 2.00 Äquivalenten und besonders bevorzugt mit einem Überschuss zwischen 1.15 und 1.40 Äquivalenten gearbeitet wird. Anschließend erfolgt die Zugabe der Trifluormethansulfonsäure, wobei die Reaktionsmischung zwischen 0°C und 60 °C gerührt wird. Die Trifluormethansulfonsäure wird bevorzugt in einem molaren Überschuss im Verhältnis zum Keton von 5-20 Äquivalenten verwendet, wobei besonders bevorzugt mit 8 - 13 Äquivalenten gearbeitet wird. Nach einer bevorzugten PHA- Reaktionszeit zwischen 7h und 72 h wird die Reaktion durch Gießen des Reaktionsgemischs in Wasser abgebrochen.
Die Überführung des Copolymers aus para-Terphenyl und 1-(1H-Benzimidazol-2-yl)ethanon in ein anionenleitfähiges Polymer ist durch Methylierung der beiden Stickstoffe mittels geeigneter Methylierungsmittel wie Methyliodid, Dimethylsulfat oder Dimethylcarbonat möglich. Die Methylierung kann durchgeführt werden, indem das Polymer in DMSO gelöst wird und die entstandene Lösung mit K2CO3 oder NaH versetzt wird. Anschließend erfolgt die Zugabe eines Überschusses des Methylierungsmittels. Nach Rühren für 16-30 h bei 25°C - 130 °C findet eine (partielle oder vollständige) Methylierung beider Stickstoffe des Benzimidazolrings statt. In Abhängigkeit von Reaktionstemperatur und Reaktionszeit sind unterschiedliche Methylierungsgrade möglich. The copolymer of para-terphenyl and 1-(1H-benzimidazol-2-yl)ethanone can be converted into an anion-conducting polymer by methylating the two nitrogens using suitable methylating agents such as methyl iodide, dimethyl sulfate or dimethyl carbonate. The methylation can be carried out by dissolving the polymer in DMSO and adding K 2 CO 3 or NaH to the resulting solution. An excess of the methylating agent is then added. After stirring for 16-30 h at 25°C - 130°C, (partial or complete) methylation of both nitrogens of the benzimidazole ring takes place. Depending on the reaction temperature and reaction time, different degrees of methylation are possible.
Beim in
Neben der direkten Alkylierung der Benzimidazoleinheit zum positiv geladenen Imiadzolium, ist die Einführung der positiv geladenen Gruppe auch über das Anbringen einer flexiblen Seitenkette möglich. Es wurde überraschenderweise festgestellt, dass sich durch Reaktion des Copolymers aus para-Terphenyl und 1-(1H-Benzimidazol-2-yl)ethanon mit einem 5- bis 60-fachem Überschuss 1,2-Bis-(chlorethoxy)-ethan in Gegenwart einer Base (z.B. K2CO3, NaH, etc.) bei Temperaturen zwischen 25°C und 150 °C selektiv nur ein Stickstoff alkylieren lässt. Weiterhin wurde festgestellt, dass ebenfalls keine Vernetzung stattgefunden hat, da die Polymere weiterhin in polar-aprotischen Lösungsmitteln wie N,N-Dimethylacetamid oder N,N-Dimethylformamid oder Dimethylsulfoxid löslich waren.
Ausführungsbeispiel 9
Poly(m-Terphenyl-co-Biphenyl-co-(4-Acetylpyridin)) (Polymer 10):
- Ein Terphenylderivat wie m-Terphenyl und/oder Biphenyl und ein aromatisches Keton wie 4-Acetylpyridin werden in einem halogenierten Lösungsmittel wie Dichlormethan suspendiert, wobei bevorzugt mit einem Überschuss des Ketons zwischen 1.00 und 2.00 Äquivalenten und besonders bevorzugt mit einem Überschuss zwischen 1.10 und 1.40 Äquivalenten des Ketons gearbeitet wird. Anschließend erfolgt die Zugabe der Trifluormethansulfonsäure, wobei die Reaktionsmischung zwischen 0°C und 60 °C gerührt wird. Die Trifluormethansulfonsäure wird bevorzugt in einem molaren Überschuss im Verhältnis zum Keton von 5-20 Äquivalenten verwendet, wobei besonders bevorzugt mit 8 - 13 Äquivalenten gearbeitet wird. Nach einer bevorzugten Reaktionszeit (PHA) zwischen 7h und 48 h wird die Reaktion durch Gießen des Reaktionsgemischs in Wasser abgebrochen.
15 zeigt das 1H NMR Spektrum des auf diese Weise hergestellten Copolymers mit eindeutiger Zuordnung aller Resonanzsignale zu den Protonen des Polymers. Die Gelpermeationschromatographie (GPC) zeigt in Abhängigkeit von der Reaktionszeit und dem molaren Überschuss des Ketons, Molekulargewichte (Mn) zwischen 10 000 g/mol und 300 000 g/mol und Dispersitäten (Ɖ) 1,40von
- A terphenyl derivative such as m-terphenyl and/or biphenyl and an aromatic ketone such as 4-acetylpyridine are suspended in a halogenated solvent such as dichloromethane, preferably with an excess of the ketone between 1.00 and 2.00 equivalents and particularly preferably with an excess between 1.10 and 1.40 equivalents of the ketone is worked on. The trifluoromethanesulfonic acid is then added, with the reaction mixture being stirred between 0 ° C and 60 ° C. The trifluoromethanesulfonic acid is preferably used in a molar excess in relation to the ketone of 5-20 equivalents, with 8-13 equivalents being particularly preferred. After a preferred reaction time (PHA) between 7 hours and 48 hours, the reaction is stopped by pouring the reaction mixture into water.
15 shows the 1 H NMR spectrum of the copolymer produced in this way with a clear assignment of all resonance signals to the protons of the polymer. Depending on the reaction time and the molar excess of the ketone, gel permeation chromatography (GPC) shows molecular weights (M n ) between 10,000 g/mol and 300,000 g/mol and dispersities (Ɖ) of 1.40
Zur Anpassung der Wasseraufnahme kann in einer Folgereaktion eine partielle Methylierung der Pyridin-Einheiten im zuvor genannten Copolymer durch Rührung des in NMP gelösten Polymers mit einem Methylierungsmittel (z. B. Methyliodid) für 1h-30h durchgeführt werden. Das in
Aus den zuvor beschriebenen Polymeren lassen sich unter Nutzung eines Rakels Membranen herstellen. Dazu werden Lösungen der Polymere in NMP, DMAc oder DMSO mit einem Massenanteil des Polymers zwischen 1% und 30% hergestellt. Die Leitfähigkeiten, Methylierungsgrade und Dicken zweier so hergestellter Membranen sind in nachstehender Tabelle dargestellt.
Die zuvor beschriebenen Membranen können potentiell in verschiedenen elektrochemischen Anwendungen verwendet werden. Ein Beispiel für eine solche Anwendung ist die Vanadium Redox Flow Batterie. Die
Ausführungsbeispiel 10
5'-(6-Bromhexyl)-1,1':3',1''-terphenyl5'-(6-Bromohexyl)-1,1':3',1''-terphenyl
Der Syntheseweg zum Erhalt des Ausgangsstoffs bzw. Ausgangsmonomers ist in der
Ausführungsbeispiel 11
4-(7-[1,1':3',1''-Terphenyl]-5'-yl)heptyl)pyridin4-(7-[1,1':3',1''-terphenyl]-5'-yl)heptyl)pyridine
Der Syntheseweg zum Erhalt des Ausgangsstoffs bzw. Ausgangsmonomers ist in der
Beide zuvor gezeigten Verbindungen lassen sich mittels der oben beschriebenen Polyhydroxyalkylierung zu Polymeren umsetzen. Erste Vorversuche zur Polyhydroxyalkylierung dieses Monomers mit 4-Acetylpyridin haben Molekularmassen von etwa 8.000 g/mol ergeben. Durch Optimierung der Reaktionsbedingungen (Massenverhältnis zwischen dem Pyridin-modifizierten m-Terphenyl und dem Acetylpyridin, Reaktionszeit und Temperatur) ist davon auszugehen, dass die Molekularmasse der Polymere weiter erhöht werden kann. Both compounds shown above can be converted into polymers using the polyhydroxyalkylation described above. Initial preliminary experiments on polyhydroxyalkylation of this monomer with 4-acetylpyridine have resulted in molecular masses of around 8,000 g/mol. By optimizing the reaction conditions (mass ratio between the pyridine-modified m-terphenyl and the acetylpyridine, reaction time and temperature) it can be assumed that the molecular mass of the polymers can be further increased.
In der
Ausführungsbeispiel 12
4-Methylpyridin-Kopplung Poly-Biphenyl-co-7-Brom-1,1,1-trifluorheptan-2-on4-Methylpyridine coupling poly-biphenyl-co-7-bromo-1,1,1-trifluoroheptan-2-one
Die Synthese des Poly-Biphenyl-co-7-Brom-1,1,1-trifluorheptan-2-on ist in der
Aus dem zuvor beschriebenen Polymer 12 lassen sich unter Nutzung eines Rakels Membranen herstellen. Dazu werden Lösungen des Polymers in NMP, DMAc oder DMSO mit einem Massenanteil des Polymers zwischen 1% und 30% und einer optionalen Zugabe einer organischen Säure, wie z.B. Trifluoressigsäure, hergestellt. Eine solche Membran mit einer Dicke von 32-35 µm zeigte eine Leitfähigkeit von σ = 14 mS*cm-1.Membranes can be produced from the previously described
Ausführungsbeispiel 13
Sulfoniertes Poly-p-Terphenyl-co-Perfluoracetophenon analog zu Polymer 3Sulfonated poly-p-terphenyl-co-perfluoroacetophenone analogous to
In einem Schlenkkolben werden 1,0 Äquivalente Terphenyl und 1,0 bis 2,0 Äquivalente (bevorzugt 1,1 bis 1,4 Äquivalente) des Ketons in 9-13 Äquivalenten Dichlormethan vorgelegt. Zum Gemisch werden bei 0 °C 9-13 Äquivalente Tri-fluormethansulfonsäure zugegeben. Das erhaltene Gemisch wird auf Raumtemperatur erwärmt und über 48 bis 96 h bei RT weitergerührt. Das Polymer wird in Methanol ausgefällt und aus THF in Methanol umgefällt.1.0 equivalents of terphenyl and 1.0 to 2.0 equivalents (preferably 1.1 to 1.4 equivalents) of the ketone in 9-13 equivalents of dichloromethane are placed in a Schlenk flask. 9-13 equivalents of trifluoromethanesulfonic acid are added to the mixture at 0 °C. The resulting mixture is warmed to room temperature and stirred at RT for 48 to 96 h. The polymer is precipitated in methanol and reprecipitated from THF into methanol.
In der
Das wie oben beschriebene hergestellte Polymer 2 wird in einem Sulfonierungsmittel (z.B. Schwefelsäure, Chlorsulfonsäure, Oleum 20 %, Oleum 65 % etc.) suspendiert. Das Gemisch wird bei Raumtemperatur für 5 bis 96 h gerührt. Die so erhaltene hochviskose Polymerlösung wird in Eiswasser ausgefällt. Das erhaltene Polymer 3 wird abfiltriert und mit Wasser gewaschen. Je nach Sulfonierungsmittel wird ein Sulfonierungsgrad zwischen 2 bis 3 Sulfonsäuregruppen je Wiederholungseinheit erzielt.The
Die erhaltenen Polymere wurden mittels NMR-Spektroskopie charakterisiert. Dabei lässt sich durch die Tieffeldverschiebung der Protonen an den substituierten aromatischen Ringen die erfolgreiche Substitution bestätigen. Aus den NMR-Spektren geht im Vergleich zum Ausgangspolymer (siehe
Daher wird mittels Elementaranalyse ein durchschnittlicher Sulfonierungsgrad bestimmt, dessen Ergebnisse in nachstehender Tabelle dargestellt sind. Tabelle 3: Mittels Elementaranalyse bestimmte Zusammensetzung zweier Sulfanierungsprodukte.
Aus den zuvor beschriebenen Polymeren lassen sich unter Nutzung eines Rakels Membranen herstellen. Dazu werden Lösungen der Polymere in NMP, DMAc oder DMSO mit einem Massenanteil des Polymers zwischen 1% und 30% hergestellt. Die Leitfähigkeiten und Dicken dreier so hergestellter Membranen sind in nachstehender Tabelle dargestellt. Tabelle 4: Leitfähigkeiten der Membranen aus Copolymeren von sulfoniertem- P-Terphenyl und Perfluoracetophenon,
Die zuvor beschriebenen Membranen können potentiell in verschiedenen elektrochemischen Anwendungen wie Brennstoffzellen und Elektrolyse verwendet werden. Erste Vorversuche dazu zeigten die prinzipielle Eignung des sulfonierten Polymers für den Einsatz in der Brennstoffzelle.The previously described membranes can potentially be used in various electrochemical applications such as fuel cells and electrolysis. Initial preliminary tests showed the basic suitability of the sulfonated polymer for use in fuel cells.
Ausführungsbeispiel 14Example 14
Ionisch vernetzte Kationenaustauscher-Säure-Base-Blendmembran 11 aus einem sulfonierten Terphenyl-Polymer aus Perfluoracetophenon und Terphenyl:
- Im ersten Schritt erfolgt die Herstellung eines PHA-Polymers durch Reaktion von Perfluoracetophenon mit p-Terphenyl,
siehe 2 . Wenn die Sulfonierung dieses Polymers mit dem starken Sulfonierungsmittel Oleum durchgeführt wird (H2SO4 mit 60-65 Gew% gelöstem SO3), können alle 3 Aromaten der Wiederholungseinheit des Polymers sulfoniert werden. Es wird ein Polymer mit einerlonenaustauscherkapazität von 4,19 meq SO3H/g Polymer erhalten. Im zweiten Schritt wird ein Polymer aus p-Terphenyl mit 1-(1H-Benzo[d]imidazol-2-yl)ethan-1-on (siehe6 ) synthetisiert. Die Strukturen beider Polymere sind mit ihren Summenformeln und Molekularmassen ihrer Wiederholungseinheiten in der28 aufgeführt.
- In the first step, a PHA polymer is produced by reacting perfluoroacetophenone with p-terphenyl, see
2 . If the sulfonation of this polymer is carried out with the strong sulfonating agent oleum (H 2 SO 4 with 60-65 wt% dissolved SO 3 ), all 3 aromatics of the repeating unit of the polymer can be sulfonated. A polymer with an ion exchange capacity of 4.19 meq SO 3 H/g polymer is obtained. In the second step, a polymer of p-terphenyl is combined with 1-(1H-benzo[d]imidazol-2-yl)ethan-1-one (see6 ) synthesized. The structures of both polymers with their molecular formulas and molecular masses of their repeating units are in the28 listed.
Man löst 2 g des sulfonierten Terphenyl-Polymers in 18 g Dimethylsulfoxid (DMSO) auf. Nach der Auflösung wird das sulfonierte Polymer mit 0,682 ml n-Propylamin neutralisiert. Man stellt des Weiteren eine 10 Gew%ige Lösung des Benzimidazol-Terphenylpolymers in DMSO her und gibt 12,8 g davon in die DMSO-Lösung des sulfonierten Terphenyl-Polymers. Man rührt bis zur Homogenisierung, und zieht danach auf einer Glasplatte mit dem Folienziehgerät eine Membran. Man verbringt danach die Glasplatte mit der gezogenen Membran in einen Umluftofen und dampft das Lösungsmittel bei einer Temperatur von 140°C für einen Zeitraum von 2 Stunden ab. Danach entnimmt man die Glasplatte und legt diese in ein Wasserbad ein, worauf sich die Membran von der Glasplatte ablöst. Die Membran wird wie folgt nachbehandelt:
- 1. 48 Stunden bei 90°C in 10% HCl
- 2. 48 Stunden bei 60°C in vollentsalztem Wasser
- 1. 48 hours at 90°C in 10% HCl
- 2. 48 hours at 60°C in demineralised water
Danach kann die Membran charakterisiert werden. Ihre lonenaustauscherkapazität (IEC) ist 1,5 meq SO3H/g Membran. Das Polymer kann anschließend noch kovalent vernetzt werden (siehe
Ausführungsbeispiel 15Example 15
Mehrfach phosphoniertes Poly-p-Terphenyl-co Perfluoracetophenon aus dem Analogon zu Polymer 2:Multiple phosphonated poly-p-terphenyl-co perfluoroacetophenone from the analogue of polymer 2:
Das im Ausführungsbeispiel 13 mittels PHA hergestellte Polymer wird mit 5 bis 25 Äquivalenten (bevorzugt 10 bis 15 Äquivalenten) Tris(trimethylsilyl)phosphit bei Temperaturen zwischen 170 °C und 200 °C über 6 bis 18 h erhitzt. Das erhaltene Gemisch wird mit THF verdünnt und das Polymer in Heptan ausgefällt. Das so erhaltene Polymer wird in Wasser zum Rückfluss erhitzt und anschließend in warmer 1 M Salzsäure ausgerührt. Dem 19F-NMR lässt sich überraschenderweise eine Substitution der Fluor-Atome am Pentafluorphenylring in para-Position und einer der beiden ortho-Positionen entnehmen (
Die so hergestellten Stoffe können entweder als Reinmembranen oder als Blendmembranen, beispielsweise mit einem basischen Polymer als Blendkomponente, eingesetzt werden. Auch eine kovalente Vernetzung von Membranen aus diesem phosphonierten Polymer mit Alkandithiolen oder aromatischen Dithiophenolen ist möglich, siehe dazu auch
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Zitierte Nicht-PatentliteraturNon-patent literature cited
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-
Xin Liu, Na Xie, Jiandang Xue, Mengyuan Li, Chenyang Zheng, Junfeng Zhang, Yanzhou Qin, Yan Yin, Dario R. Dekel, Michael D. Guiver, Nature Energy 2022, 7, 329-339 [0047, 0073]Xin Liu, Na Xie, Jiandang Xue, Mengyuan Li, Chenyang Zheng, Junfeng Zhang, Yanzhou Qin, Yan Yin, Dario R. Dekel, Michael D. Guiver,
Nature Energy 2022, 7, 329-339 [0047, 0073]
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