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Die
vorliegende Erfindung hat eine Technik zur Reinigung von sulfonierten
Imiden ausgehend von verunreinigten Mischungen, die sie enthalten,
zum Gegenstand. Sie betrifft ganz besonders die Reinigung von sulfonierten
Imiden, bei denen der Schwefel als der Träger der Sulfonfunktion mit
einem perhalogenierten, vorzugsweise perfluorierten Atom verbunden
ist. Die Imide, die eine Sulfonfunktion tragen, ihrerseits selbst
mit einem perhalogenierten Atom verbunden, entwickeln sich gegenwärtig schnell,
obwohl sie seit langer Zeit bekannt sind. Die Ursache ist darin
zu sehen, dass diese Verbindungen als grundlegende Elemente von
Lithiumsalzen verwendet werden, die sich in Batterien mit hoher
Leistungsfähigkeit
wiederfinden.
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Es
empfiehlt sich daran zu erinnern, dass die Imide Verbindungen sind,
welche die folgende Funktion aufweisen:
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Die
Imid-Funktion ist nur die anionische, deprotonisierte Form des Imids,
die zwei Substituenten aufweist, welche Reste sind, die Sauerstoffsäuren entsprechen,
bei denen eine OH-Gruppe entfernt wurde. Die Imide oder Imid-Ionen,
auf welche die vorliegende Erfindung abzielt, sind solche, bei denen
eines der Aci und Aci' eine
Sulfonylgruppe ist, wobei vorteilhafterweise alle beide Aci und
Aci' Sulfonyle sind.
Die Sulfonyl-Funktion oder eine der Sulfonyl-Funktionen, wenn es
zwei gibt, wird durch einen perhalogenierten, vorzugsweise perfluorierten
Kohlenstoff getragen. Ganz besonders bedeutsam sind die Imide, die
an jedem der Substituenten (hier Aci und Aci') einen perhalogenierten Kohlenstoff
umfassen, wobei der genannte perhalogenierte Kohlenstoff vorteilhafterweise
von einem Atom getragen wird, das direkt an den Stickstoff gebunden
ist.
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Diese
Imide besitzen insbesondere Eigenschaften, aufgrund derer sie als
Wertstoffe für
die Herstellung von Elementen oder Batterien bezeichnet werden,
wobei diese Eigenschaften einerseits in einer sehr hohen Azidität des Imids
und andererseits in der Abwesenheit vom Komplexbildungsvermögen des
Imids gegenüber
unterschiedlichen Kationen bestehen.
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Diese
gleichen Eigenschaften gestalten die Operationen zur Reinigung extrem
schwierig und empfindlich. Die starke Azidität bewirkt eine starke Dissoziation
und eine starke Dissoziation bewirkt eine hohe Löslichkeit in polaren Medien
und insbesondere in Wasser. Außerdem
bilden diese sehr sauren Verbindungen im allgemeinen Additionsverbindungen
mit Wasser und es ist oft sehr schwierig, diese sehr sauren Verbindungen mit
Wasser zu trennen. Die am meisten gebräuchlichen Techniken zur Reinigung
dieser Imide sind Techniken der Rekristallisation, insbesondere
der Rekristallisation ihrer Salze.
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Diese
Imide werden im allgemeinen durch Einwirkung von Sulfonylhalogeniden
auf trivalente Stickstoffderivate, die Träger von Wasserstoff (wie insbesondere
Ammoniak und Amid) und in schwierigen Fällen von Trialkylsilyl-Gruppen
sind, synthetisiert. Die Sulfonylgruppe ist im allgemeinen Träger eines
direkt an Schwefel gebundenen perhalogenierten Kohlenstoffs. Die
gegenwärtig
am meisten verwendeten Sulfonylhalogenide sind Fluoride und Chloride
von Perfluoralkansulfonyl und insbesondere die Fluoride und Chloride
von Perfluoralkansulfonyl mit ein und zwei Kohlenstoffatomen.
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Die
Techniken zur Synthese von dieser Art von Verbindungen sind insbesondere
in den Patentanmeldungen der Firma Central Glass und der Anmelderin
beschrieben.
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Die
Schwierigkeit bei diesem Synthesetyp führt zur Anwesenheit von Verunreinigungen
in signifikanten Mengen und insbesondere von Sulfonsäuren und
Sulfinsäuren,
die dem Sulfonylchlorid entsprechen. Man findet ebenfalls als Verunreinigungen
das Ausgangs-Stickstoffderivat
sowie Amine, die oft zur Neutralisierung der im Verlauf der Reaktion
gebildeten Säuren
verwendet werden und gegebenenfalls Amine einer besonderen Art,
die als Katalysatoren eingesetzt werden.
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So
beschreiben H. Matsumoto et al., Chemistry Letters 2000 (8), 922-923
ein Verfahren zur Herstellung von Bis-(Trifluormethyl)sulfoimiden
von Tetraalkylammonium, und das erhaltene Produkt wird dann einer Waschoperation
unterzogen, bis kein restliches Halogenatom mehr vorliegt.
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Eine
andere Quelle für
diese Imide oder ihre Salze (hier: imidure) ist die Wiederaufbereitung
von gebrauchten Katalysatoren oder Batterien. Man findet in diesen
Recycling-Produkten die gleiche Art von Verunreinigungen wieder
wie sie soeben beschrieben wurden, außer dass es sein kann, sie
leiten sich von den als Katalysatoren verwendeten Aminen ab (wie
insbesondere den Dialkylaminopyridinen), wobei die anderen Amine
hinzugesetzt werden können,
um die Trennung und Rückgewinnung
der Bestandteile der Batterien zu erleichtern.
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Außerdem weisen
die Techniken zur Flüssig-Flüssig-Extraktion
im allgemeinen kaum einen reinigenden Charakter auf, denn die Gesamtheit
der organischen Verbindungen wird in die organische Phase extrahiert. Überdies
sind die synthetisierten Verbindungen und/oder die Verunreinigungen
sowie die Ausgangsverbindungen amphiphil, sie spielen die Rolle
des dritten Lösungsmittels
und sind ebenfalls geeignet, oberflächenaktive Eigenschaften aufzuweisen.
Die fetten Amine sind außerdem
dafür bekannt,
amphiphil zu sein.
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Um
die Reinigungen durch Extraktion (flüssig-flüssig) unter guten Bedingungen
durchführen
zu können,
ist es außerdem
einerseits nötig,
dass die Verteilungs-Koeffizienten zwischen auf einer Seite des(r)
zu erhaltenden Produkts(e) und auf der anderen Seite der zu entfernen
Verunreinigungen sehr unterschiedlich sind, und andererseits, dass
der Verteilungs-Koeffizient der zu entfernenden Verunreinigung gegenüber der Vektorphase
der genannten Verunreinigung nicht zu niedrig ist.
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Mit
anderen Worten, wenn die organische Phase ΦO diejenige
ist, aus der man wünscht,
die als Verunreinigung betrachtete(n) Verbindung(en) abzuziehen
und die begehrten Verbindungen und die wässerige Phase Φa, die Waschphase zu behalten, so empfiehlt
es sich, um zu vermeiden, dass man ein zu flüssiges Medium handhaben muss,
dass der Verteilungs-Koeffizient der betrachteten Verunreinigung
(Φa/ΦO), nämlich das
Verhältnis
zum Gleichgewicht zwischen dem Gehalt an Verunreinigung pro Mengeneinheit
des Stoffes in der wässerigen
Phase Φa und dem Gehalt an Verunreinigung pro Mengeneinheit
des Stoffes in der organischen Phase ΦO so
hoch als möglich
ist und in allen Fällen
mindestens gleich 1, vorteilhafterweise 2, vorzugsweise 5 beträgt. Wenn
die Waschphase die organische Phase ΦO ist,
so ist die einzuhaltende Bedingung selbstverständlich der umgekehrte Wert,
nämlich
dass der Verteilungs-Koeffizient
(ΦO/Φa) hoch sein soll und mindestens gleich 1,
vorteilhafterweise 2, vorzugsweise 5 beträgt.
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Es
empfiehlt sich schließlich
noch hervorzuheben, dass der amphiphile Charakter der Säuren mit
polyfluoriertem(n) Kohlenstoff(en) eine Vorhersage ihres Verhaltens
sehr schwierig macht.
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So
besteht eines der Ziele der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren
zur Verfügung
zu stellen, das die Wiedergewinnung und Anreicherung der Lösungen ermöglicht,
welche die oben betrachteten Imide oder Imid-Ionen enthalten.
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Ein
anderes Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren
der obigen Art zur Verfügung zu
stellen, das ermöglicht,
die Imide oder die Imid-Ionen von den Sulfonsäuren zu trennen, die dem grundlegenden
Sulfonyl von mindestens einem Ast der Funktion Imid oder Imid-Ion
entsprechen.
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Ein
weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren
der obigen Art zur Verfügung zu
stellen, das ermöglicht,
die Imide oder die Imid-Ionen von den Säuren, ihren Sulfin-Salzen zu
trennen, die der Reduktion der Sulfonylgruppen von einem der Äste der
Funktion Imid entsprechen.
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Ein
anderes Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Technik
zur Verfügung
zu stellen, die ermöglicht,
die Imide oder die Imid-Ionen von den verschiedenen Halogeniden
zu trennen, die geeignet sind, herausgezogen zu werden und die in
der Reaktionsmischung oder der Recyclingmischung anwesend sind.
Die am häufigsten
herausgezogenen Halogenide sind die Fluorid-Ionen und/oder die Chlorid-Ionen.
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Diese
Ziele und weitere, die im folgenden hervortreten, werden mit Hilfe
eines Verfahrens zur Behandlung einer mit Ammoniumimid verunreinigten
organischen Zusammensetzung erreicht, wobei einer der Substituenten
des Imids, vorzugsweise alle beide, ein Sulfonyl ist, getragen durch
einen perhalogenierten, vorzugsweise perfluorierten Kohlenstoff,
das dadurch gekennzeichnet ist, dass man die genannte Zusammensetzung einer
Stufe zur Flüssig-Flüssig-Extraktion mit Hilfe
einer wässerigen
Phase Φa unterzieht, die einen pH aufweist, der
auf mindestens gleich 9 eingestellt ist und dadurch, dass die genannte
verunreinigte chemische Zusammensetzung als Verunreinigungen mindestens
eine der chemischen Arten umfasst, die ausgewählt sind unter den Halogeniden,
den Sulfinaten und den Sulfonaten.
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Es
ist zweckdienlich zu erwähnen,
dass die früheren
Untersuchungen den Fachmann davon abgebracht haben dürften, derartige
Techniken zur Realisierung einer weitreichenden Reinigung anzuwenden.
Die ausgehend von der Reaktionsmischung erhaltenen Verteilungs-Koeffizienten sind
nämlich
sehr wenig vorteilhaft. Eine plausible Erklärung dafür ist die, dass es in der wässerigen
Phase zu viele organische Verbindungen gibt, insbesondere basische
Verbindungen (in Salz überführt oder
nicht, vor allem in Form von Halohydraten). Infolge der durch die
Erfinder geführten
Untersuchungen trat ein überraschender
Aspekt der Erfindung zutage, dass sich nämlich die Verteilungs-Koeffizienten
mit der Reihe der Extraktion verbessern.
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Wenn
man so eine zu behandelnde Reaktionsmischung vorliegen hat, ist
das erste biphasische System flüssig/flüssig nicht
erfindungsgemäß. Um diese
Lehre in ein System einzuordnen und zu quantifizieren ist es wünschenswert
zu präzisieren,
dass es sich empfiehlt, in der Weise vorzugehen, dass die wässerige
Phase in Masse mindestens 2/3, vorteilhafterweise mindestens 3/4
vorzugsweise mindestens 8/10 und noch mehr bevorzugt 9/10 Wasser
enthält.
Es ist ebenfalls vorzuziehen, dass die Konzentration der wässerigen
Phase an organischer Base, meistens Amine, höchstens 1 mol; vorteilhafterweise
0,5; vorzugsweise 0,2 und noch mehr bevorzugt 0,1 mol pro kg oder
pro Liter (in Molalität
oder in Molarität:
die Differenz ist ziemlich gering) beträgt.
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Unter
perhalogeniertem Kohlenstoff muss man einen Kohlenstoff der Hybridisierung
sp3 verstehen, der keinen Wasserstoff trägt und der,
außer
seiner Bindung mit dem Chalkogen (hier Schwefel) höchstens
zwei, vorteilhafterweise höchstens
einen Rest umfasst, alle anderen Atome sind Halogene. Die genannten
Reste werden vorteilhafterweise unter den elektronenanziehenden
Gruppen (das heißt,
deren Hammet-Konstante σp über
null liegt, aber es ist vorteil haft, wenn diese Konstante mindestens
gleich 0,15; vorzugsweise 0,2 beträgt) ausgewählt, und dies vor allem, wenn
es zwei davon gibt.
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So
ist ein perhalogenierter Kohlenstoff gemäß der Erfindung vorteilhafterweise
Träger
von mindestens zwei Halogenen, wobei diese zwei Halogene vorteilhafterweise
mindestens teilweise und vorzugsweise insgesamt Fluor sind. Mit
anderen Worten, ein perhalogenierter Kohlenstoff ist vorteilhafterweise
ein Methylen, das ein Fluor und ein anderes Halogen trägt, das
vorteilhafterweise wiederum Fluor ist.
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Im
folgenden wird eine wässerige
Phase durch Φa und eine organische Phase durch ΦO bezeichnet.
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Die
vorliegende Erfindung kann mit Hilfe eines Verfahrens, das mehrere
Stufen der Extraktion flüssig-flüssig umfasst,
mittels einer wässerigen
Phase realisiert werden, aber es empfiehlt sich auch, dass mindestens
eine dieser Stufen bei einem basischen pH durchgeführt wird,
das heißt,
dass der pH nach der Extraktion über
7 bleibt.
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Mindestens
eine der Extraktionen flüssig-flüssig wird
in der Weise durchgeführt,
dass der pH am Ende der Extraktion (das heißt, der pH der wässerigen
Phase am Ausgang der Extraktion nach dem letzten Dekantieren) mindestens
gleich 9 beträgt,
vorteilhafterweise 10 und vorzugsweise, wenn relativ große Mengen
an zu entfernenden sulfonischen Perfluoralkansäuren vorliegen, mindestens
gleich 11,5. Die Regulierung des pH kann in der Weise erfolgen,
dass die Ausgangsbase vor dem Kontakt mit der organischen Phase
in der Weise zugesetzt wird, dass die wässerige Phase genügend Base
enthält,
um den pH am Ende auf den vorstehend genannten Werten zu halten.
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Wie
bereits vorstehend erinnert, beträgt die verwendete Menge an
Base im Äquivalent
vorteilhafterweise mindestens der Summe der notwendigen Menge an
Base, um die wässerige
Phase (allein be trachtet) auf den gewünschten pH zu führen, und
der Menge an sauren Verunreinigungen im Äquivalent, die durch die organische
Base in Salz überführt werden.
Diese Menge wird vorteilhafterweise auf eine Menge gesteigert, die sich
auf 0 bis 20 % des wiederzugewinnenden Imids beläuft, vorzugsweise auf 1 % bis
10 % und noch bevorzugter auf 1 % bis 5 %.
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Man
kann aber ebenfalls den pH im Verlauf des Kontaktes in der Weise
einstellen, dass er immer und vor allem am Ende in dem obengenannten
Bereich bleibt.
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Zur
Erzielung von guten Ergebnissen ist es vorzuziehen, dass das genannte
Ammonium eine Anzahl von Kohlenstoffen von mindestens gleich 5,
vorzugsweise mindestens gleich 6 und noch mehr bevorzugt von mindestens
gleich 7 aufweist.
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Zur
Erzielung von guten Ergebnissen ist es vorzuziehen zu vermeiden,
dass die Anzahl von Kohlenstoffen zu hoch ist, und so bevorzugt
man, dass die Gesamtanzahl der Kohlenstoffe des genannten Ammoniums
höchstens
gleich 12, vorteilhafterweise 10 beträgt. Gemäß der vorliegenden Erfindung
ist es vorzuziehen, dass das Ammonium mindestens zwei Kohlenwasserstoff-Ketten
(das heißt,
sowohl Kohlenstoff als auch Wasserstoff enthaltend) trägt, gebunden
an den Stickstoff durch einen sekundären Kohlenstoff der Hybridisierung sp3. Es ist ebenfalls vorzuziehen, dass das
genannte Ammonium ein protonisiertes Amin ist, wobei das genannte
Amin vorteilhafterweise nicht alkylierbar ist.
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Als
Beispiele für
nicht alkylierbare Amine kann man die tertiären Amine nennen, die vorteilhafterweise als
Substituent(en) mindestens einen Kohlenwasserstoff-Rest umfassen,
der an den Stickstoff durch einen sekundären Kohlenstoff gebunden ist.
Als Beispiel für
Amine, die gute Resultate ergeben, kann man das Diisopropylethylamin
nennen, meistens durch sein Akronym (DiPEA) bezeichnet. Damit das
Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung besonders vorteilhaft angewendet werden kann, ist es nötig, dass
die mit Ammoniumimid verunreinigte organische Zusammensetzung Verunreinigun gen
enthält,
die unter den Sulfonaten, insbesondere den Sulfonat-Ionen ausgewählt werden,
bei denen der Schwefel durch einen perhalogenierten Kohlenstoff
getragen wird. Es ist ebenso wünschenswert,
dass das Sulfonat-Ion, bei dem der Schwefel durch einen perhalogenierten
Kohlenstoff getragen wird, nicht mehr als drei, vorzugsweise nicht
mehr als zwei perfluorierte Atome pro Sulfonat-Funktion umfasst.
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Es
ist ebenfalls wünschenswert,
dass das genannte Sulfonat-Ion, das als Verunreinigung vorliegt
und das einen Schwefel aufweist, der durch einen perhalogenierten
Kohlenstoff getragen wird, höchstens
acht, vorteilhafterweise höchstens
fünf und
vorzugsweise höchstens
vier Fluor pro Sulfonat-Funktion umfasst.
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Unter
den Verunreinigungen, die geeignet sind, durch das Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung entfernt zu werden, empfiehlt es sich, auch die Sulfinat-Ionen
zu nennen, die oft im Verlauf der Reaktion zur Synthese der Imide
erzeugt werden oder die auch ein Zersetzungsprodukt des Imids sein
können.
Diese Sulfinat-Ionen entsprechen einem Anion, das die gleiche rohe
Formel aufweist wie der entsprechende Sulfonyl-Rest, mit der nahen
negativen Ladung.
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So
ist das Verfahren vollständig
an die Behandlung von mit Ammoniumimid verunreinigten organischen
Zusammensetzungen angepasst, die ein Sulfinat-Ion enthalten, insbesondere
ein Sulfinat-Ion, bei dem der Schwefel durch einen perhalogenierten
Kohlenstoff getragen wird.
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Dieses
Sulfinat-Ion, bei dem der Schwefel durch einen perhalogenierten
Kohlenstoff getragen wird, umfasst höchstens drei, vorzugsweise
höchstens
zwei perfluorierte Kohlenstoffe pro Sulfinat-Funktion, die man auch mit dem Ausdruck "sulfinische Funktion" bezeichnen kann.
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Es
ist ebenfalls vorzuziehen, dass der genannte perhalogenierte Kohlenstoff,
der von der sulfinischen Funktion oder Sulfinat-Funktion getragen wird, höchstens
acht, vorteilhafterweise höchs tens
fünf und
vorzugsweise vier Fluor pro Sulfinat-Funktion umfasst.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist es für
das Erzielen von qualitativ ausgezeichneten Trennungen vorzuziehen,
dass die Anzahl der Kohlenstoffe der Sulfonate, die als Verunreinigung
in der Zusammensetzung von Imid-Ion oder Imid anwesend sind, höchstens
gleich 12, vorteilhafterweise 6 und vorzugsweise 4 beträgt.
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Es
ist vorzuziehen, dass die gleiche Beschränkung bei der Gesamtanzahl
der Kohlenstoffe bei den Sulfinaten gilt, die als Verunreinigung
anwesend sind.
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Es
ist ebenfalls vorzuziehen, dass die Anzahl der perhalogenierten
Kohlenstoffe der zu reinigenden Imide mindestens gleich der Anzahl
der Sulfinate und/oder Sulfonate ist, die gegebenenfalls in der
genannten Zusammensetzung anwesend sind.
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Es
ist ebenfalls vorzuziehen, dass die Anzahl der perhalogenierten
Kohlenstoffe der genannten Imide höher ist als die Anzahl der
Sulfinate und/oder Sulfonate, die in der gesamten Zusammensetzung
anwesend sind.
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Es
ist ebenfalls vorzuziehen, dass die perhalogenierten Kohlenstoffe
der genannten Imide mindestens 2, vorzugsweise mindestens 3 Fluor
mehr als die Anzahl der Sulfinate und/oder Sulfonate umfassen, die
gegebenenfalls in der genannten Zusammensetzung anwesend sind.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist es vorzuziehen, dass das genannte Verfahren mindestens
zwei Stufen oder mindestens zwei Reihen von Stufen umfasst. Eine
der Stufen oder eine der Reihe von Stufen wird mit Hilfe einer wässerigen
Phase bei natürlichem
pH, das heißt,
deren pH derjenige ist, der durch einfachen Kontakt mit einer im
wesentlichen reinen wässerigen
Phase (Quellwasser oder Wasser aus dem Hahn, sogar destilliertes
Wasser) erhalten wird oder bei einem im wesentlichen neutralen pH
realisiert, das heißt,
einem pH, der in der Weise reguliert wird, dass sein Wert am Ende
des Austausches in einem geschlossenen Intervall liegt, das heißt, umfassend
die Grenzwerte von 5 bis 8. Diese wässerige Phase kann später mit Φa1 bezeichnet werden.
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Die
andere Stufe oder die andere Reihe von Stufen des Austausches flüssig-flüssig wird
in einer wässerigen
Phase realisiert, die nachstehend mit Φa2 bezeichnet
wird, deren pH mindestens gleich 9, vorzugsweise 10 und noch mehr
bevorzugt 11,5 beträgt,
insbesondere wenn ein Sulfonat in der Lösung des Imids oder des Imid-Ions
anwesend ist. Obwohl alle als Verunreinigungen anwesenden Säuren Supersäuren sind
mit einer Azidität
von nahe der der Imide beobachtet man nämlich im alkalischen Medium
sehr unterschiedliche Verteilungs-Koeffizienten.
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Wenn
man eine wässerige
Ausgangsphase mit einem pH zwischen einschließlich 3 und 10 ohne Pufferstoffe
(das heißt,
von denen jeder anwesende Stoff fähig ist, ein Puffervermögen in diesem
Bereich bei einer Konzentration von höchstens gleich 10–2,
vorteilhafterweise 10–3 auszuüben, so
ist es ebenso vorteilhaft, dass die Summe der genannten Stoffe dieser
Bedingung entspricht) verwendet, im allgemeinen Quellwasser, destilliertes
Wasser, mit Ionenaustauscher behandeltes Wasser oder solches von ähnlicher
Reinheit, fixiert sich der pH während
des In-Kontakt-Bringens, dieser pH wird als natürlicher pH bezeichnet. Es empfiehlt
sich, auf die gebräuchlichsten
Bedingungen des In-Kontakt-Bringens mit einer neutralen wässerigen
Phase oder bei einem neutralen pH hinzuweisen. Diese Bedingungen
sind nachstehend zusammengefaßt:
- • Temperatur:
zwischen 0 °C
und der Siedetemperatur des verwendeten Lösungsmittels (beim Arbeitsdruck),
vorzugsweise zwischen 10 °C
und 30 °C;
- • Druck
belanglos, vorzugsweise bei atmosphärischem Druck im Hinblick auf
die Einfachheit der Durchführung;
- • Verhältnis Masse/wässerige
Phase und organische Phase (Verhältnis
der Durchsätze
pro Zeiteinheit im Fall einer kontinuierlichen Arbeitsweise): zwischen
0,1 und 10;
- • Arbeitsweise
durch Aufeinanderfolge von Batch-Mischung/Dekantieren/Abziehen oder
durch kontinuierliche Betriebsweise (Extraktionskolonne oder Batterie
von Dekantier-Mischern);
- • Arbeitsweise
durch methodisches diskontinuierliches oder kontinuierliches Waschen
(Gleichstrom oder Gegenstrom);
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Was
das In-Kontakt-Bringen mit einer basischen wässerigen Phase angeht, so kann
man darauf hinweisen, dass die gebräuchlichsten Bedingungen ähnlich,
sogar identisch (bei etwa gleichem pH) sind, wie nachstehend angegeben:
- • Temperatur:
zwischen 0 °C
und der Siedetemperatur des verwendeten Lösungsmittels (beim Arbeitsdruck),
vorzugsweise zwischen 10 °C
und 30 °C;
- • Druck
(vgl. oben beim In-Kontakt-Bringen mit der neutralem wässerigen
Phase), vorzugsweise bei atmosphärischem
Druck;
- • Verhältnis zwischen
den Massen der wässerigen
Phase und der organischen Phase (Verhältnis der Durchsätze pro
Zeiteinheit im Fall einer kontinuierlichen Arbeitsweise): zwischen
0,1 und 10;
- • pH:
zwischen einschließlich
10 und 12,5, Kompromiß zwischen
der Ausbeute und der Wirksamkeit der Entfernung der Verunreinigungen;
- • Arbeitsweise
durch Aufeinanderfolge von einer oder mehreren Einzeloperationen
Mischung/Dekantieren/Abziehen oder durch kontinuierliche Betriebsweise
(Extraktionskolonne oder Batterie von Dekantier-Mischern).
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Diese
Fragen zur Anwendung der üblichen
Technologien werden nachstehend detailliert beschrieben. Die Techniken
zum Austausch flüssig-flüssig sind
dem Fachmann bekannte Techniken, die aus Dekantier-Mischern in Reihe
bestehen können
und im Gegenstrom arbeiten. Es können
ebenfalls Austauschkolonnen verwendet werden.
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Im
Fall einer Arbeitsweise im Gegenstrom in den Dekantier-Mischern oder in
den Kolonnen mit einem wässerigen
Strom, der die Rolle der neutralen Phase und der basischen Phase
spielt, entspricht die Phase Φa2 der eintretenden Phase und die Phase Φa1 entspricht der austretenden Phase, wenn
die Reihe der Dekantier-Mischer
von der wässerigen
Phase durchlaufen wird.
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Es
ist vorzuziehen, dass ein Lösungsmittel
vorhanden ist, wobei dieses Lösungsmittel
dann dasjenige der anfänglichen
Verunreinigungs-Zusammensetzung sein kann. Dies kann ebenfalls ein
Lösungsmittel
sein, das man hinzusetzt, es kann schließlich ein Lösungsmittel sein, das man verwendet,
um das Imid und seine Verunreinigungen im Hinblick auf den Austausch
aufzulösen.
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Die
Lösungsmittel,
welche die besten Resultate ergeben, sind solche Lösungsmittel,
die ein abzugebendes Atom-Dublett besitzen, wobei dieses Atom ein
Halogen, vorteilhafterweise Fluor, ein Chalkogen, vorteilhafterweise
Sauerstoff, oder ein Atom aus der Stickstoffreihe sein kann.
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Dieser
letztere Fall ist nicht bevorzugt, denn dieses Lösungsmittel zieht eine doppelte
Anwendung mit den Aminen nach sich, was das Verfahren erschweren
kann. Es ist ebenfalls vorzuziehen, dass das Lösungsmittel so beschaffen ist,
dass das Trägeratom
des abzugebenden Dubletts nicht sterisch behindert ist, das heißt, dass
es nicht mehr als einen sekundären
oder tertiären
Kohlenstoffrest trägt.
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So
kann man die aliphatischen chlorierten Derivate als chlorierte Derivate
nennen, wie das Methylenchlorid oder das Trichlorethylen, wobei
diese chlorierten Derivate vorteilhafterweise mindestens einen Wasserstoff
aufweisen. Man kann ebenfalls die aromatischen halogenierten Derivate
nennen und man kann auch die sterisch nicht sperrigen Ether erwähnen. So
ergibt Ethylether gute Resultate, Isopropyl-methylether ergibt ebenfalls
gute Resultate, aber Diisopropylether zeigt dagegen nur schlechte
Ergebnisse. Die aromatischen Kohlenstoffverbindungen wie Benzol
und Toluol ergeben ebenfalls nur sehr schlechte Resultate.
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Das
In-Kontakt-Bringen mit der wässerigen
Phase Φa1 hat im wesentlichen zum Ziel, die Halogenide wie
Fluorid, Chlorid, sogar Bromid zu entfernen. Die zweite Stufe, die
einen basischen pH verwendet, zielt darauf ab, die Sulfinate und
die Sulfonate zu entfernen. Es kann eine einzige Lösung unter
der Bedingung verwendet werden, dass sie ausreichend basisch ist.
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Um
einen guten Entfernungsgrad der Sulfonsäuren zu erhalten, ist es vorzuziehen,
dass sie sich in einem pH von mindestens gleich 11,5 einrichtet.
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Bei
dem basischen Waschen beträgt
die Menge der zu verwendenden Base vorteilhafterweise mindestens
der Menge an Base, die notwendig ist, um die wässerige Phase (allein betrachtet)
auf den gewünschten
pH zu bringen, erhöht
durch die Menge im Äquivalent
der sauren Verunreinigungen, die durch die organische Base in Salz überführt werden.
Diese Menge wird vorteilhafterweise um eine Menge von 0 % bis 20
% des wiederzugewinnenden Imids erhöht, vorzugsweise von 1 % bis
10 % und noch mehr bevorzugt von 1 % bis 5 %.
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Die
Wiedergewinnung des gereinigten Imids ausgehend von der organischen
Phase kann auf verschiedene Art und Weise durchgeführt werden.
So kann man das Lösungsmittel
und eventuelle überschüssige Amine
destillieren, um das Ammoniumimid nach der Reinigung zu gewinnen.
Man kann ebenfalls über
eine feste oder flüssige
Base destillieren, die stärker
ist als das an das genannte Ammonium gebundene Amin, und auf diese
Weise das der Base entsprechende Triflimid (triflimidure) gewinnen.
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Jedoch
unterzieht man gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung die organische Phase einer basischen
Lösung
(sogar einer Suspension), das heißt, deren pH über 12,5,
vorteilhafterweise bei 13 liegt.
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So
kann die von diesen Verunreinigungen befreite Lösung durch eine relativ starke
Base neutralisiert werden, das heißt, deren pKa mindestens gleich
12,5 beträgt,
vorzugsweise mindestens gleich dem des Lithiumhydroxids. Diese allerletzte
Neutralisation ermöglicht
die vollständige
Freisetzung des dem Ammonium entsprechenden Amins und bildet das
Triflimid-Salz des dem Kation der Base entsprechenden Metalls. In
den Stufen des Waschens ist es ebenfalls vorzuziehen in der Weise
vorzugehen, dass die Menge an zugesetzter Base so bemessen ist,
dass der pH am Ende unter 12,5 liegt. So ist es vorzuziehen zu überprüfen, dass
die letzte wässerige
Phase der Reinigung (Φa2 im Fall von zwei wässerigen Phasen) einen pH aufweist,
der nicht zu basisch ist und vorteilhafterweise höchstens
gleich 12,5 beträgt.
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Die
wässerige
Phase, die das Imid enthält,
kann eingedampft werden, beispielsweise lyophilisiert.
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Es
wird an die Bedeutung der verwendeten Abkürzungen erinnert:
TFSILi: | Lithium-bis-trifluormethansulfonimid
(CF3SO2)2NLi |
TFSI,
NR3: | Trialkylammonium-bis-trifluormethansulfonimid |
TFSA: | Trifluormethansulfonamid
CF3SO2NH2 |
TFSCl: | Trifluormethansulfonylchlorid
CF3SO2Cl |
TFSIH: | Bis-trifluormethansulfonimid |
CF3SO2 –: | Trifluormethansulfinat
(Triflinat, TFSH) |
CF3SO3 –: | Trifluormethansulfonat
(Triflat, TFSOH) |
DIPEA: | Diisopropylethylamin |
NEt3: | Triethylamin |
DMAP: | 4-Dimethylaminopyridin |
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Als
Lehre kann man beispielsweise die Ausführung eines Abschnittes detaillieren,
der bei der Synthese von Lithium-triflimid angewendet wird.
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Bei
dieser Ausführung
umfasst das Verfahren zur Synthese von Lithium-bis-trifluormethansulfonimid (TFSILi)
die folgenden Stufen:
- – Reaktion von Trichlormethansulfonylchlorid
(TFSCl) mit Ammoniak, um eine Mischung, hier Reaktionsmischung zu
erhalten, die dann durch das folgende Behandlungsverfahren gemäß der Erfindung
aufgenommen wird:
- – Entfernung
der Co-Produkte und/oder Verunreinigungen durch Extraktion flüssig-flüssig der
Masse der Verunreinigungen gemäß der Erfindung;
- – Wiedergewinnung
des Imids; und optional:
- – Entfernung
und Wiedergewinnung des Lösungsmittels;
- – Wiedergewinnung
des DIPEA durch Einwirkung einer Base.
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BEVORZUGTE ARBEITSBEDINGUNGEN DER OPTIONALEN
STUFEN
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Entfernung des Lösungsmittels
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- Druck zwischen 10 Hektopascal und 5 bar;
- die Temperatur wird durch den Druck fixiert;
- diskontinuierlich (durch Chargen) oder kontinuierlich;
- das Lösungsmittel
wird durch Kondensation wiedergewonnen, um zurückgeführt zu werden.
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Wiedergewinnung des DIPEA durch Einwirkung
einer Base
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- – durch
azeotrope Destillation
Druck zwischen 10 Hektopascal und 5
bar;
die Temperatur wird durch den Druck fixiert;
molares
Verhältnis
Base/Anion TFSI höher
als 1, vorzugsweise zwischen 1,01 und 1,2.
- – durch
Dekantieren
molares Verhältnis
Base/Anion TFSI mindestens gleich 1 und vorteilhafterweise höchstens
gleich 3/2, vorzugsweise 1,2;
Temperatur vorteilhafterweise
höher als
10 °C, um
das Dekantieren zu erleichtern.
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Die
folgenden, nicht einschränkenden
Beispiele veranschaulichen die Erfindung.
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Beispielhafte Erläuterung der verschiedenen Stufen
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Die
nachstehend zur Veranschaulichung der verschiedenen Stufen angegebenen
Beispiele wurden im Hinblick auf ihre demonstrativen Eigenschaften
ausgewählt.
Aus Gründen,
dass sie dem Fachmann offenkundig sind, wurden sie nicht immer alle
im gleichen Mengenmaßstab
durchgeführt,
denn einige angewendete Technologien erfordern bedeutend größere Mengen,
um zu einem guten Ergebnis zu gelangen. Dies widerspricht jedoch
nicht der Demonstration zur Ausführbarkeit
der Aufeinanderfolge.
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Beispielhafte Erläuterung der Reaktion der Ausgangs-Zusammensetzung
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Beispiel 1
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Die
verwendete Anlage umfasst:
- • einen Reaktor von 1 Liter
mit doppelter Umhüllung,
ausgestattet mit einem zentralen Rührer;
- • ein
Bad warm/kalt, das ermöglicht,
die Reaktionsmasse bei Bedarf auf –30 °C zu halten;
- • eine
Einspeisung von Ammoniakgas durch Eintauchen, ausgehend von einer
Ammoniakflasche unter Druck von 1 Liter;
- • eine
Falle mit Trockeneis in Reihe auf einem Satz von Ventilen N2, der ermöglicht, den Reaktor auf einem Druck
von nahe dem atmosphärischen
Druck des Labors zu halten;
- • eine
Einspritzung von CF3SO2Cl
mit kontrolliertem Durchsatz über
eine Einschubspritze.
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Die
gesamte Anlage wird in einen belüfteten
Abzug gebracht.
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In
den Reaktor von 1 Liter trägt
man das Dichlormethan (490 g), das DIPEA (221 g) und das DMAP (3,5
g) ein.
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Die
gewünschte
Menge an Ammoniak (9,7 g) wird in den Ansatz von Dichlormethan durch
Absorption bei –15 °C ausgehend
von der Flasche über
das Zwischenstück
des eingetauchten Teiles eingetragen.
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Die
exakte zugeführte
Menge wird durch Wägen
und/oder Messen des Durchsatzes bestimmt. Der mit Trockeneis gekühlte Kondensator
gewährleistet,
dass kein Verlust von Ammoniak außerhalb des Reaktors auftritt.
Anschließend
wird die Lösung
von CF3SO2Cl zu
50 % in Dichlormethan (383,4 g) über
eine Einschubspritze eingespritzt, wobei die Temperatur der Reaktionsmasse
zwischen –10 °C und –5 °C gehalten
wird: Dauer des Eingießens:
3 Stunden.
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Danach
lässt man
die Temperatur wieder auf Umgebungstemperatur ansteigen (1 Stunde).
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Anschließend wird
die Reaktionsmasse mit etwa 150 g Wasser gewaschen, um dann zwei
homogene Phasen vorliegen zu haben, die leicht zu analysieren sind.
Man gewinnt etwa 1002,7 g organische Phase und 240,3 g wässerige
Phase.
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Die
Analyse der Zusammensetzung der organischen Phase und der Dichlormethan-Phase
durch ionische Chromatographie ergibt die folgenden Resultate:
Phase | organisch | wässerig | Verteilungs-Koeffizient ΦO/Φa |
Gewicht | % | % | |
Cl– | 1,9 | 8,5 | 0,23 |
CF3SO2 – | 0,33 | 0,07 | 4,7 |
CF3SO3 – | 1,2 | 0,2 | 5,7 |
(CF3SO2)2N– | 14,8 | nd | |
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Diese
Verteilungs-Koeffizienten sind für
die Reinigung kaum vorteilhaft.
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Beispiel 2
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Man
wiederholt das Beispiel 1, abgesehen davon, dass man die Gesamtheit
des Dichlormethans (680 g) zu Beginn der Operation in den Reaktor
einträgt.
Danach gibt man 268,6 g DIPEA, 4,2 g DMAP und 12,0 g Ammoniak hinzu.
Anschließend
wird das CF
3SO
2Cl
(233,2 g) über
das Zwischenstück
einer Einschubspritze in das Reaktionsmedium eingespritzt. Die Dauer
des Einspritzens beträgt
2 Stunden und 30 Minuten, während der
die Reaktionsmasse auf –20 °C gehalten
wird. Danach lässt
man die Temperatur wieder auf Umgebungstemperatur ansteigen (1 Stunde).
Anschließend
wird die Reaktionsmasse mit etwa 300 g Wasser gewaschen, um dann
zwei homogene Phasen vorliegen zu haben, die leicht zu analysieren
sind. Man gewinnt etwa 1040 g organische Phase und 445 g wässerige
Phase.
Masse-% | Masse
der Phasen | F– | Cl– | CF3SO2 – | CF3SO2NH2 | CF3SO3 – | (CF3SO2)2N– |
ΦO | 1040
g | 0 | 1,5 | 0,2 | 0,05 | 0,6 | 18 |
Φa | 445
g | 0 | 7,2 | 0,05 | 0,01 | 0,08 | |
Verteilungs-Koeffizient ΦO/Φa | | | 0,2 | 4 | 5 | 7,5 | |
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Die
Verteilungs-Koeffizienten sind hier für die Reinigung sehr ungünstig.
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Beispielhafte Erläuterung
der Waschungen durch Extraktion flüssig-flüssig
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Beispiel 3 – Extraktion bei neutralem
oder natürlichem
pH
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Dieses
Beispiel veranschaulicht die Art und Weise der Durchführung der
wässerigen
Waschungen zur Entfernung der Chlorid-Ionen. Man wiederholt das
Beispiel 1, abgesehen davon, dass das Ammoniak bei einer kälteren Temperatur
(–20 °C) eingetragen
wird, was ermöglicht,
eine größere Menge
an Ammoniak zuzusetzen. Dann wird der Eintrag von DIPEA, TFSCI und
DMAP in Proportionen modifiziert. Die Gesamtmenge des eingesetzten
Dichlormethans bleibt unverändert.
Nach der Reaktion wird die Reaktionsmasse mit 300 g Wasser gewaschen.
Nach dem Dekantieren wird die wässerige
Phase aus dem Reaktor entfernt und man setzt 300 g Wasser hinzu.
Anschließend
rührt man
das Ganze 15 Minuten lang und lässt
danach ebenfalls 15 Minuten lang absetzen. Die organische Phase
und die wässerige
Phase werden durch ionische Chromatographie analysiert und dann
entfernt man von neuem die wässerige
Phase. Diese Operation wir viermal wiederholt. Die Entwicklung der
Zusammensetzung der unterschiedlichen Phasen ist in den nachstehenden
Tabellen veranschaulicht.
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Man
beobachtet, dass die für
das folgende Verfahren und für
die Qualität
des Endproduktes störenden Chloridionen
aus der organischen Phase entfernt werden, und zwar nur mit minimalen
Verlusten an dem zu verwertenden Anion TFSI.
Phase | chemische
Arten |
| F– | Cl– | CF3SO2 – | CF3SO2NH– | CF3SO3 – | TFSI– |
organische Phase
1. Waschung | 0,001 | 2 | 0,2 | 0,05 | 0,6 | 24 |
wässerige Phase
1. Waschung | 0,001 | 7,4 | 0,04 | 0,05 | 0,08 | 0,05 |
organische Phase
2. Waschung | 0,001 | 0,7 | 0,2 | 0,06 | 0,6 | 26,5 |
wässerige Phase
2. Waschung | 0,001 | 3,1 | 0,06 | 0,03 | 0,09 | 0,18 |
organische Phase
3. Waschung | 0,001 | 0,2 | 0,15 | 0,03 | 0,6 | 27,5 |
wässerige Phase
3. Waschung | 0,001 | 1,2 | 0,08 | 0,015 | 0,1 | 0,06 |
organische Phase
4. Waschung | 0,001 | 0,03 | 0,1 | 0,05 | 0,5 | 27,8 |
wässerige Phase
4. Waschung | 0,001 | 0,3 | 0,1 | 0,017 | 0,2 | 0,1 |
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Beispiel 4
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Dieses
Beispiel veranschaulicht die Art und Weise des Waschens der Reaktionsmasse
bei basischem pH, um die Verunreinigungen wie Trifluormethansulfonat
oder Trifluormethansulfinat zu entfernen. In den wie vorstehend
beschriebenen Reaktor von 1 Liter, jedoch ausgestattet mit einer
pH-Sonde, trägt
man eine Reaktionsmasse mit einer Masse von 792 g ein, erhalten
wie in Beispiel 3 beschrieben, das heißt, dass sie zuvor gewaschen
wurde, um Chloridionen zu entfernen und dass ein Teil des Lösungsmittels
Dichlormethan (Zusammensetzung organische Phase 1) verdampft wurde,
und gibt anschließend
unter Rühren
300 g Wasser und 26 ml 2 N Natriumhydroxid hinzu, um einen pH von
10,8 zu erhalten. Dann lässt
man 15 Minuten lang absetzen und zieht die wässerige Phase ab. Danach setzt
man von neuem 300 g Wasser hinzu und stellt den pH unter Rühren auf
10,8 ein, diesmal mit 8,5 ml 2 N Natriumhydroxid.
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Das
Gewicht und die Zusammensetzung der verschiedenen Phasen sind in
der nachstehenden Tabelle angegeben.
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Man
beobachtet, dass in der organischen Phase 3 der Gehalt an Trifluormethansulfon-Anion
und an Trifluormethansulfin-Anion jeweils unter 0,06 % und 0,01
% liegt. Dies zeigt, dass man nach drei basischen Waschungen eine
Dichlormethan-Lösung
des praktisch reinen Komplexes TFSIH/DIPEA erhält.
| Gewicht | F– | Cl– | CF3SO2 – | CF3SO2NH– | CF3SO3 – | TFSI– |
organische
Phase 1 | 792 | < 10–3 | 0,04 | 0,1 | 0,1 | 0,6 | 30,7 |
organische
Phase 2 | 767 | < 10–3 | 0,006 | 0,01 | 0,01 | 0,16 | 30,9 |
wässerige Phase
2 | 342 | < 10–3 | 0,07 | 0,2 | 0,1 | 1 | 1,4 |
organische
Phase 3 | 746 | < 10–3 | 0,004 | 0,01 | 0,01 | 0,06 | 30,7 |
wässerige Phase
3 | 321 | < 10–3 | < 10–3 | 0,02 | 0,01 | 0,2 | 1,1 |