WO2008135482A2 - Ionische flüssigkeiten mit polyethercarboxylaten als anionen, deren herstellung und verwendung - Google Patents

Ionische flüssigkeiten mit polyethercarboxylaten als anionen, deren herstellung und verwendung Download PDF

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Oliver Zech
Mathias Kellermeier
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    • C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K23/00—Use of substances as emulsifying, wetting, dispersing, or foam-producing agents

Definitions

  • the present invention relates to novel ionic liquids containing polyether carboxylates as anions, a process for their preparation and their use.
  • ionic liquids By ionic liquids, the person skilled in the art understands liquids which consist exclusively of ions and have a melting point of less than 100 ° C.
  • typical cations in ionic liquids include tetraalkylammonium, tetraalkylphosphonium, dialkylimidazolium or alkylpyridinium cations, and examples of typical anions include trifluoromethanesulfonate, tetrafluoroborate, alkylsulfonates or bis (trifluoromethylsulfonyl) imide).
  • Ionic liquids have become increasingly important in recent years.
  • WO 2005/070896 and WO 2007/057403 disclose the use of anions R a -S "as anions in ionic liquids, where S" may be various acid groups such as, for example, sulfonates, sulfites, phosphonates, phosphites or carboxyl groups.
  • the radical R a may be a multiplicity of very different, optionally substituted hydrocarbon radicals, including alkyl ether or alkyl polyether groups.
  • radicals R are specifically 5-methoxy-3-oxapentyl, 8-methoxy-3,6-dioxa-octyl, 11-methoxy-3,6,9-trioxaundecyl, 7-methoxy-4-oxa heptyl, 1 1-methoxy-4,8-dioxa-undecyl, 15-methoxy-4,8,12-trioxapentadecyl, 9-methoxy-5-oxanonyl, 14-methoxy-5,10-oxatetradecyl and the corresponding ethoxy and hydroxy derivatives disclosed.
  • specific combinations of these radicals with certain acid groups and certain cations are not disclosed.
  • RO (CH 2 CH 2 ⁇ ) ⁇ CH 2 COO-M + where R is a C 8 - to cis-alkyl radical, x is a number from 1 to 15 and M is an alkali metal or alkaline earth metal ion.
  • the alkyl ethoxycarboxalytes are obtained by reacting the corresponding alcohol RO (CH 2 CH 2 O) x H with chloroacetic acid. They are used as surfactants in aqueous solution.
  • EP 716 072 A1 discloses concentrated, flowable polyether carboxylates of the general formula RO (AO) n CHbCOO " M + where R is a C 8 to C 24 -alkyl radical or an alkyl-substituted aryl radical having 9 to 24 C atoms, where n is a number from 1 to 15, A is C2- to Cs-alkylene and M is an alkali metal, V2 alkaline earth, ammonium or a substituted ammonium ion They can be used as dispersing and emulsifying agents in the washing and cleaning agent sector.
  • surfactants based on alkyl polyether carboxylates are disclosed in WO 97/28238 or DE 10 2004 027 329 A1.
  • Surfactants based on Alkylpolyethercar- are carboxylates also commercially available, for example under the brand Akypo ®.
  • none of the cited documents discloses the use of such alkylpolyethercarboxylates in ionic liquids.
  • ionic liquids consist only of cations and anions explains their unique properties. You own u.a. a very low vapor pressure, can solve a variety of organic and inorganic materials and are characterized by a high temperature stability.
  • the physical and chemical properties of ionic liquids, such as melting point, thermal stability, viscosity, conductivity, solvation strength, solubility properties, acidity and coordinating ability are determined by the ions used, i. they can be varied in a wide range by the selection of cation and anion in a wide range and adapted for each use.
  • Ionic liquids are now commercially available. It is very important to have the right ionic liquid for every process
  • the object of the invention was therefore to provide novel ionic liquids available.
  • the cation X n + is a cation selected from the group of metal ions, quaternary ammonium, oxonium, sulfonium or phosphonium ions,
  • R 6 is a branched or unbranched hydrocarbon group having 1 to 3 carbon atoms
  • the radicals R 7 each independently of one another represent a branched or unbranched alkylene group having 2 to 4 carbon atoms, and
  • R 8 is a branched or unbranched alkylene group having 1 to 4 carbon atoms, and wherein in the radicals R 6 , R 7 and R 8 in each case the hydrogen atoms may also be wholly or partly substituted by fluorine.
  • ionic liquids is to be understood below in the usual sense solvent-free, in particular anhydrous compositions having a melting point of less than 100 0 C, which are composed exclusively of cations and anions.
  • the ionic liquids according to the invention have the general formula V n [X n + ] [Y-].
  • n 1, 2 or 3, preferably 1 or 2 and particularly preferably 1.
  • the cations may on the one hand be metal ions, in particular alkali metal or alkaline earth metal ions.
  • metal ions include Li + , Na + , K + , Be 2+ , Mg 2+ and Ca 2+ .
  • Particularly preferred are Na + and K +, and most preferably Na + .
  • the cations X n + can also be quaternary ammonium, oxonium, sulfonium or phosphonium cations.
  • Suitable cations of this type for use in ionic liquids are known to the person skilled in the art, for example from WO 2007/057235 page 4, line 13 to page 18, line 38. The person skilled in the art makes a suitable choice depending on the desired properties of the ionic liquid.
  • the cations are preferably ammonium ions. These may be NH 4 + or ammonium ions of aliphatic or aromatic amines, for example of nitrogen heterocycles. Examples of such compounds are mentioned in particular in WO 2007/057235 page 5, line 14 to page 7, line 20.
  • ammonium ions of the formulas (Ia), (Ib) and (Ic)
  • Preferred embodiments of the invention further include phosphonium ions of the general formula (Id) and sulfonium ions of the general formula (Ie).
  • the radicals R and R 1 to R 5 are each independently hydrogen or a saturated or unsaturated, acyclic or cyclic, aliphatic, aromatic or araliphatic hydrocarbon radical having 1 to 20 carbon atoms, where Non-adjacent carbon atoms in the radicals may also be substituted by oxygen atoms and / or nitrogen atoms or the radicals may be substituted by functional groups.
  • Hydrocarbon radicals are preferably saturated, aliphatic hydrocarbon radicals which may optionally be substituted as described.
  • the radical R is in each case preferably hydrogen, methyl or ethyl and particularly preferably hydrogen.
  • non-adjacent carbon atoms in the hydrocarbon radicals are substituted by heteroatoms, these are preferably oxygen atoms. In other words, therefore, in the event of substitution at all, residues having ether groups -O-, hydroxyl groups -OH and / or carboxy groups -COOH are preferred.
  • Preferred ammonium ions of the formula (Ia) include those in which R is hydrogen, R 1 is a linear or branched, preferably linear, alkyl radical having 1 to 20 C atoms, preferably 4 to 20 C atoms, particularly preferably 6 to 20 C - Atoms and very particularly preferably 8 to 20 carbon atoms, and in which R 2 and R 3 are each independently hydrogen, methyl or ethyl, preferably hydrogen or methyl.
  • the properties of the ionic liquid over the length of the radical R 1 can be, for example, control their melting point.
  • Preferred ammonium ions (Ia) are furthermore those in which at least one of the radicals R, R 1 , R 2 or R 3 is a radical having 1 to 20 carbon atoms, preferably 2 to 20 carbon atoms, which radical is denoted by an OH radical. Group, preferably a terminally arranged OH group is substituted. Preferably, it can be mono-, di- or triethanolammonium, for example, HO-CH 2 - CH 2 -NH 3 +, (HO-CH 2 CH 2 -) 2 NH 2 +, (HO-CH 2 -CH 2 -) 3 NH + or HO-CH 2 -CH 2 -N (CHa) 3 + (choline).
  • the radicals may optionally also comprise further substituents, in particular -COOH.
  • An example includes carnitine (H 3 C) 3 N + -CH 2 -CH (OH) -CH 2 -COO-.
  • Preferred pyridinium ions (Ib) and imidazolium ions (Ic) include those in which at least one of the radicals R and R 1 to R 4 or R 5 is a linear or branched, preferably a linear alkyl radical having 1 to 20 C atoms, preferably 4 to 20 C-atoms and more preferably 6 to 20 C-atoms, and the remaining radicals are each independently of one another in each case hydrogen, methyl or ethyl, preferably hydrogen or methyl.
  • the anion Y m " according to the invention has the general formula (II)
  • the radical R 6 is a straight-chain or branched hydrocarbon group having 1 to 3 carbon atoms, wherein the hydrogen atoms may also be wholly or partially substituted by fluorine. It is preferably an alkyl radical selected from the group of methyl, ethyl, n-propyl or i-propyl. It is preferably a methyl or an ethyl group and very particularly preferably a methyl group.
  • the radical R 6 is connected via x alkoxy groups of the formula -R 7 -O- to the group -R 8 -COO ", where the alkoxy groups in an anion may be identical or different.
  • R 7 are alkylene groups having 2 to 4 carbon atoms, wherein the hydrogen atoms may also be wholly or partially substituted by fluorine.
  • R 7 include 1, 2-ethylene groups -CH 2 -CH 2 -, 1, 2-propylene groups -CH 2 -CH (CH 3) -, 1, 3-propylene groups -CH 2 -CH 2 -CH 2 -, 1, 4-butylene groups -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 - or 1, 2-butylene groups -CH 2 -CH (C 2 H 5 ) -.
  • alkylene groups are 1,2-ethylene groups. If they are branched alkylene groups, they may be incorporated into the anion in the orientation shown or else in the reverse orientation.
  • the radical R 8 is a branched or unbranched alkylene group having 1 to 4 carbon atoms, wherein the hydrogen atoms may also be wholly or partly substituted by fluorine.
  • Examples include a methylene group -CH 2 -, a 1,2-ethylene group -CH 2 -CH 2 -, a 1,2-propylene group -CH 2 -CH (CHs) -, a 1, 3-propylene group -CH 2 -CH 2 -, a 1,4-butylene group -CH 2 -CH 2 -CH 2 - or a t-butylene group -CH 2 -C (CHs) 2 -. It is preferably a methylene group -CH 2 -.
  • the number x has a value of 2 to 8, preferably 2 to 6, more preferably 3 to 5 and especially 3, where x in this case represents the mean value of the alkoxy groups present, which of course is not a natural one Number, but can also be any rational number.
  • the properties of the ionic liquids according to the invention can be influenced by the person skilled in the art by the selection of anions and cations.
  • an ionic liquid may also contain several different anions Y and / or several different cations X n + .
  • the particular properties of the ionic liquids according to the invention appear to be at least influenced by chelation, as shown below by way of example for the case of a carboxyl group and a sodium ion.
  • the salt-like character of the ionic liquids decreases and the ionic liquid behaves more apolar.
  • the melting point of the ionic liquids according to the invention is relatively low and the dissolving power for nonpolar compared to other salts with similar cations Substances is good.
  • liquid, long-chain alkylimidazolium salts can be prepared at room temperature.
  • R 1 is at this preferred variant represents a linear alkyl radical having 1 to 20, preferably 4 to 20, more preferably 6 to 18 and most preferably 8 to 18 carbon atoms.
  • R 1 -NH 3 + in (III) examples include n-hexylammonium, n-octylammonium, n-decylammonium, n-dodecylammonium, n-tetradecylammonium, n-hexadecylammonium and n-octadecylammonium.
  • particularly preferred cations for the anion (III) are Ca 2+ , Mg 2+ , choline, and tetraalkylammonium ions, imidazolium ions and pyridinium ions, each having a linear alkyl radical R 1 with 4 to 20, preferably 6 to 18 and particularly preferably 8 to 18 C atoms have.
  • the preparation of the ionic liquids according to the invention can be carried out, for example, by first of all adding the acids R 6 O- (R 7 -O-) corresponding to the anion R 6 O- (R 7 -O-) X -R 8 -COO "(II). ) X -R 8 -COOH (V) synthesized and reacted in a second step, the acid with a base containing the cation, or a precursor thereof. Possibly in the course of the synthesis solvent used are removed from the reaction system.
  • ⁇ -chlorocarboxylic acid of the general formula CI-R 8 -COOH, and in a particularly preferred version of the synthesis, chloroacetic acid is used.
  • the reaction can be carried out by reacting the anhydrous ether alcohol (IV) with elemental sodium to form the more reactive alkoxide.
  • the carboxylic acid (V) can be isolated by means of technologies known to one skilled in the art and purified, for example, by vacuum distillation.
  • the carboxylic acids (V) can be neutralized in a second step with appropriate bases. Solvents in which the base was possibly dissolved are subsequently separated by distillation.
  • the preparation of the sodium salt can be carried out, for example, by neutralization with the appropriate amount of aqueous NaOH, followed by removal of the water in vacuo. It can also be anhydrous by putting the carboxylic acid (V) with sodium bicarbonate in an alcohol followed by distillative separation of the alcohol.
  • Ionic liquids with ammonium ions (Ia), (Ib) or (Ic) can, in the case where R is hydrogen, be prepared simply by dissolving the corresponding unprotonated amine, if appropriate dissolved in a suitable solvent of the carboxylic acid (V). admits.
  • R is hydrogen
  • the ammonium ions in the form of the corresponding hydroxides for example as tetraalkylammonium ions NR 4 + OH.
  • Imidazoles can be first converted to imidazolium carbenes using, for example, the method described in WO 01/77081 with strong bases, for example potassium tert-butylate to form carboxylic anions and the corresponding imidazolium cations.
  • the ionic liquids according to the invention have a melting point of less than 100 0 C, preferably less than 75 ° C and particularly preferably less than 60 0 C.
  • the melting point can by the skilled person by the choice of appropriate
  • Anions and cations are determined depending on the desired melting point. It is also easy to provide liquid at room temperature ionic liquids.
  • the ionic liquids according to the invention can be used in particular as solvents or extractants.
  • the ionic liquids according to the invention are particularly suitable as solvents for carrying out chemical reactions, in particular for carrying out metathesis reactions or as solvents for natural and synthetic polymers. Depending on the composition, they show the properties of classic solvents, of hydrotropes or of surfactants.
  • They can furthermore be used as extractants for liquid-liquid extraction, for example for the extraction of heavy metals, pharmacologically active substances, natural substances, nutrients or food additives.
  • Nonaqueous electrolyte or nonaqueous electrolyte components in energy storage systems, for example batteries, or energy converters. Conversion systems, such as solar cells are used. In addition, they are suitable as solvents for electrochemical processes, such as electrochemical metal deposition.
  • the ionic liquids according to the invention can also be mixed with other ionic liquids for use. As a result, it is possible to obtain further ionic liquids with a novel property spectrum.
  • the ionic liquid makes it possible to provide solutions of salts in a non-aqueous, aprotic medium. Such solutions can be used advantageously in electrochemical processes, for example electrochemical metal deposition, because not every metal can be separated from an aqueous medium.
  • the cyclovoltagram of the ionic liquids according to the invention shows a broad field of stress and thus a high redox stability. They are therefore particularly well suited for electrochemical applications.
  • the ionic liquids are suitable as reaction medium for chemical reactions in the course of which salt-like or polar substances have to be kept in solution, but which would simultaneously be disturbed by the presence of protic groups, such as OH groups or water.
  • ionic liquids have electrical conductivity without containing water, and thus come into question for a variety of technical processes in which anhydrous liquids with a high dielectric constant must be used.
  • the ionic liquids according to the invention are hardly volatile. Low volatile solvents are of interest in engineering plants where low pressures are required (eg pumps). Furthermore, in particular the Na + and K + - salts have very high decomposition points and a low corrosivity. They are therefore particularly suitable for high-temperature applications, eg for high-temperature lubrication or in printed circuit board production.
  • Example 1 Synthesis of sodium 2,5,8,11-tetraoxatridecane-13-oat (TEGM ECH2COQ-Na + )
  • the crude 2,5,8,1-Tetraoxatridecan-13-acid is purified by double distillation in an oil diffusion pump vacuum (about 10 " 7 mbar, boiling point 135-145 ° C.) Finally, a colorless viscous liquid is obtained.
  • the sodium salt of 2,5,8,1-Tetraoxatridecan-13-acid is obtained by reacting the acid with equimolar amounts of aqueous ⁇ , 1 M sodium hydroxide solution. After neutralization, the water is spun off. Drying of the product occurs successively in the oil pump, oil diffusion pump and turbomolecular pump vacuum (each several days).
  • the compound sodium 2,5,8,11-tetraoxatridecane-13-oat can also be prepared non-aqueous by reacting equimolar amounts of 2,5,8,11-tetraoxatridecan-13-acid and sodium bicarbonate in ethanol. Drying is analogous to the aqueous synthesis.
  • the polyether carboxylic acid can be titrated in aqueous solution with NaOH standard solution just to the equivalence point (via pH measurement). This method avoids inaccuracies in weighing the two components so that equimolarity is assured. The work-up is carried out as described above.
  • 2,5,8,1-Tetraoxatridecane-13-acid is prepared as described in Example 1.
  • the alkylammonium salts are generally accessible by direct reaction of the acid with equimolar amounts of the amine of interest.
  • 2,5,8,13-tetraoxatridecan-13-acid is neutralized with n-hexylamine.
  • the reaction can be carried out both solvent-free (eg dropwise addition of pure hexylamine to ether carboxylic acid, with cooling) and in organic solvents (typically ethanol).
  • the compounds are dried only in an oil pump vacuum for about one day. Since the syntheses are anhydrous and there is no water during neutralization, this milder drying is sufficient here.
  • the melting point is listed in Table 1.
  • the viscosity of the ammonium salt is significantly lower than that of the sodium salt and is of the order of 20,000 mPas. It is comparable to the viscosity of honey or syrup. From electrical conductivity and fluorescence measurements it can be concluded that the ionic liquid according to Example 5 has a hydrotropic character in aqueous solution.
  • the ionic liquid according to Example 6 has surfactant character. Due to the amphiphilic and therefore solubilizing properties, the ionic liquid according to Example 6 has a broader release spectrum compared to conventional ionic liquids. Furthermore, it can be concluded that the ionic liquid according to Example 6 has structuring properties in water, organic solvents and in particular also in the pure state. Accordingly, it can serve, for example, as a structurant (template) in mineralization processes (eg for mesoporous silicates). Furthermore, the ionic liquid from Example 6 is liquid at room temperature (melting point see Table 1).
  • Example 10 n-hexadecylamine
  • Example 1 n-octadecylamine
  • the melting points, decomposition points and viscosities are listed in Table 1, respectively.
  • Table 1 shows that the melting points of the ionic liquids increase with increasing chain length of the alkyl radical in the anion. By selecting the chain length so the melting point can be adjusted specifically. Likewise, the decomposition point and the viscosity can be influenced by the choice of the cation.
  • Ammonium nitrate is highly soluble in TEGMECHbCOONa even at room temperature, currency rend NaCl in small concentrations at temperatures above 100 0 C dissolves.
  • magnesium sulfate is appreciably soluble in TEGMECHbCOONa.
  • Particularly noteworthy in terms of the environmental compatibility of the sodium salt is the solubility of olive oil up to ten percent by weight in TEGMECH2COONa.

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Abstract

Neuartige ionische Flüssigkeiten, welche als Anionen Polyethercarboxylate enthalten, ein Verfahren zu deren Herstellung sowie deren Verwendung.

Description

Neuartige ionische Flüssigkeiten
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft neuartige ionische Flüssigkeiten, welche als Anionen Polyethercarboxylate enthalten, ein Verfahren zu deren Herstellung sowie deren Verwendung.
Unter ionischen Flüssigkeiten versteht der Fachmann Flüssigkeiten, welche aus- schließlich aus Ionen bestehen und einen Schmelzpunkt von weniger als 1000C aufweisen. Beispiele typischer Kationen in ionischen Flüssigkeiten umfassen Tetraalkyl- ammonium-, Tetraalkylphosphonium-, Dialkylimidazolium- oder Alkylpyridiniumkationen und Beispiele typischer Anionen umfassen Trifluormethansulfonat, Tetrafluoroborat, Alkylsulfonate oder Bis(trifluormethylsulfonyl)imid). Ionische Flüssigkeiten haben in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen. Sie sind beispielsweise zur Verwendung als Lösungsmittel, als Wärmeträger, als Elektrolyt in Batterien, in Doppelschicht-Kondensatoren, in Solarzellen oder zur Verwendung in Extraktions- oder Trennprozessen vorgeschlagen worden. Ein Überblick über ionische Flüssigkeiten findet sich beispielsweise in P. Wasserscheid, W. Keim, Angew. Chem. 2000, 1 12, 3926 bis 3945 oder in „lonic Liquids" , Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Electronic Release, 7th Edition, Wiley-VCH, Weinheim, New York 2007.
WO 2005/070896 und WO 2007/057403 offenbaren die Verwendung von Anionen Ra-S" als Anionen in ionischen Flüssigkeiten. Hierbei kann es sich bei S" um verschie- dene Säuregruppen wie beispielsweise Sulfonate, Sulfite, Phosphonate, Phosphite oder Carboxylgruppen handeln. Bei dem Rest Ra kann es sich um eine Vielzahl verschiedenster, ggf. substituierter Kohlenwasserstoffreste handeln, darunter auch um Alkylether- oder Alkylpolyethergruppen. Als Reste R werden konkret 5-Methoxy-3-oxa- pentyl, 8-Methoxy-3,6-dioxa-octyl, 11-Methoxy-3,6,9-trioxaundecyl, 7-Methoxy-4-oxa- heptyl, 1 1-Methoxy-4,8-dioxa-undecyl, 15-Methoxy-4,8,12-trioxapentadecyl, 9-Me- thoxy-5-oxanonyl, 14-Methoxy-5,10-oxatetradecyl sowie die entsprechenden Ethoxy- und Hydroxyderivate offenbart. Spezielle Kombinationen dieser Reste mit bestimmten Säuregruppen und bestimmten Kationen werden jedoch nicht offenbart.
US 5,233,087 offenbart Alkylpolyethoxycarboxylate der allgemeinen Formel
RO(CH2CH2θ)χCH2COO- M+, wobei es sich bei R um einen C8- bis Cis-Alkylrest, x eine Zahl von 1 bis 15 und bei M ein Alkalimetall- oder Erdalkalimetallion handelt. Die Alkyl- ethoxycarboxalyte werden durch Umsetzen des entsprechenden Alkohols RO(CH2CH2O)xH mit Chloressigsäure erhalten. Sie werden als Tenside in wässriger Lösung verwendet. EP 716 072 A1 offenbart konzentrierte, fließfähige Polyethercarboxylate der allgemeinen Formel RO(AO)nCHbCOO" M+ wobei es sich bei R um einen Cs- bis C24-Alkylrest oder einen alkylsubstituierten Arylrest mit 9 bis 24 C-Atomen, bei n eine Zahl von 1 bis 15, bei A um C2- bis Cs-Alkylen und M um ein Alkalimetall- , V2 Erdalkali-, Ammonium - oder ein substituiertes Ammoniumion handelt. Sie können als Dispergier- und Emulgiermittel im Wasch- und Reinigungsmittelbereich eingesetzt werden.
Weitere Beispiele für Tenside auf Basis von Alkylpolyethercarboxylaten offenbaren WO 97/28238 oder DE 10 2004 027 329 A1. Tenside auf Basis von Alkylpolyethercar- boxylaten sind auch kommerziell erhältlich, beispielsweise unter der Marke Akypo®. Keine der genannten Schriften offenbart aber die Verwendung derartiger Alkylpoly- ethercarboxylate in ionischen Flüssigkeiten.
Die Tatsache, dass ionische Flüssigkeiten nur aus Kationen und Anionen bestehen, er- klärt ihre einzigartigen Eigenschaften. Sie besitzen u.a. einen sehr niedrigen Dampfdruck, können eine Vielzahl organischer und anorganischer Materialien lösen und zeichnen sich durch eine hohe Temperaturstabilität aus. Die physikalischen und chemischen Eigenschaften ionischer Flüssigkeiten, wie beispielsweise Schmelzpunkt, thermische Stabilität, Viskosität, Leitfähigkeit, Solvatationsstärke, Löslichkeitseigen- schatten, Acidität und Koordinationsfähigkeit werden durch die verwendeten Ionen bestimmt, d.h. sie lassen sich durch die Auswahl von Kation und Anion in einem weiten Bereich gezielt variieren und für die jeweilige Verwendung anpassen.
Ionische Flüssigkeiten sind mittlerweile auch kommerziell erhältlich. Um für jeden Pro- zess die passende ionische Flüssigkeit zur Verfügung zu haben, ist es von großem
Interesse, neue ionische Flüssigkeiten zu synthetisieren. Aufgabe der Erfindung war es daher, neuartige ionische Flüssigkeiten zur Verfügung zu stellen.
Dementsprechend wurden ionische Flüssigkeit der allgemeinen Formel Vn[Xn+] [Y"] mit einem Schmelzpunkt von weniger als 1000C gefunden, wobei n für 1 ,2 oder 3 steht, und wobei
• es sich bei dem Kation Xn+ um ein Kation ausgewählt aus der Gruppe von Metallionen, quartären Ammonium-, Oxonium-, Sulfonium- oder Phosphoniumionen handelt,
• das Anion Y" die allgemeine Formel (II) aufweist
R6O-(R7-O-)χ-R8-COO" (II),
wobei • x für eine Zahl von 2 bis 8 steht,
• R6 für eine verzweigte oder unverzweigte Kohlenwasserstoffgruppe mit 1 bis 3 Kohlenstoffatomen steht,
• die Reste R7 jeweils unabhängig voneinander für eine verzweigte oder unver- zweigte Alkylengruppe mit 2 bis 4 Kohlenstoffatomen stehen, und
• R8 für eine verzweigte oder unverzweigte Alkylengruppe mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen steht, und wobei in den Resten R6, R7 und R8 jeweils die Wasserstoffatome auch ganz oder teilweise durch Fluor substituiert sein können.
Zu der Erfindung ist im Einzelnen das Folgende auszuführen:
Unter „Ionischen Flüssigkeiten" sollen nachfolgend im üblichen Sinne lösemittelfreie, insbesondere wasserfreie Zusammensetzungen mit einem Schmelzpunkt von weniger als 1000C verstanden werden, welche ausschließlich aus Kationen und Anionen zusammengesetzt sind.
Die erfindungsgemäßen ionischen Flüssigkeiten weisen die allgemeine Formel Vn[Xn+] [Y-] auf.
Bei den Kationen Xn+ steht die Zahl n für 1 , 2 oder 3, bevorzugt 1 oder 2 und besonders bevorzugt für 1.
Bei den Kationen kann es sich einerseits um Metallionen, insbesondere um Alkalime- tall- oder Erdalkalimetallionen handeln. Beispiele bevorzugter Metallionen umfassen Li+, Na+, K+, Be2+, Mg2+ und Ca2+. Besonders bevorzugt sind Na+ und K+ und ganz besonders bevorzugt ist Na+.
Bei den Kationen Xn+ kann es sich weiterhin um quartäre Ammonium-, Oxonium-, SuI- fonium- oder Phosphonium-Kationen handeln. Geeignete Kationen dieser Art zur Verwendung in ionischen Flüssigkeiten sind dem Fachmann bekannt, beispielsweise aus WO 2007/057235 Seite 4, Zeile 13 bis Seite 18, Zeile 38. Der Fachmann trifft je nach den gewünschten Eigenschaften der ionischen Flüssigkeit eine geeignete Auswahl.
Bevorzugt handelt es sich bei den Kationen um Ammoniumionen. Es kann sich hierbei um NH4 + oder um Ammoniumionen von aliphatischen oder aromatischen Aminen, beispielsweise von Stickstoffheterocyclen handeln. Beispiele derartiger Verbindungen sind insbesondere in WO 2007/057235 Seite 5, Zeile 14 bis Seite 7, Zeile 20 genannt.
Bevorzugt zur Ausführung der vorliegenden Erfindung sind hierbei Ammoniumionen der Formeln (Ia), (Ib) und (Ic)
Figure imgf000005_0001
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung umfassen weiterhin Phosphoniumionen der allgemeinen Formel (Id) sowie Sulfoniumionen der allgemeinen Formel (Ie).
Rz Rz
3 ' + 1 1 + 1
R— P-R S-R
I I R R
(Id) (Ie)
In den oben genannten Formeln (Ia) bis (Ie) stehen die Reste R sowie R1 bis R5 unabhängig voneinander jeweils für Wasserstoff oder einen gesättigten oder ungesättigten, acyclischen oder cyclischen, aliphatischen, aromatischen oder araliphatischen Kohlenwasserstoffrest mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen, wobei in den Resten nicht benachbarte Kohlenstoffatome auch durch Sauerstoffatome und/oder Stickstoffatome substituiert sein können oder die Reste mit funktionellen Gruppen substituiert sein können. Bevorzugt handelt es sich bei Kohlenwasserstoffresten um gesättigte, aliphatische Kohlenwasserstoffreste, welche ggf. wie beschrieben substituiert sein können. Der Rest R steht jeweils bevorzugt für Wasserstoff, Methyl oder Ethyl und besonders bevorzugt für Wasserstoff.
Als funktionelle Gruppen in den Kohlenwasserstoffresten kommen prinzipiell alle funk- tionellen Gruppen in Frage, welche an ein Kohlenstoffatom gebunden sein können. Als geeignete Beispiele seien -OH (Hydroxy), =0 (insbesondere als Carbonylgruppe), -NH2 (Amino), =NH (Imino), -COOH (Carboxy), -CONH2 (Carboxamid), -SO3H (Sulfo) und -CN (Cyano) sowie Fluor, Chlor, Brom und lod genannt. Bevorzugte funktionelle Gruppen sind -OH oder -COOH.
Falls in den Kohlenwasserstoffresten nicht benachbarte Kohlenstoffatome durch Hete- roatome substituiert sind, handelt es sich hierbei bevorzugt um Sauerstoffatome. Mit anderen Worten gesagt sind also -für den Fall dass überhaupt Substitution vorliegt- Reste bevorzugt, welche Ethergruppen -O-, Hydroxygruppen -OH und/oder Carbo- xylgruppen -COOH aufweisen. Bevorzugte Ammoniumionen der Formel (Ia) umfassen solche, bei denen R für Wasserstoff, R1 für einen linearen oder verzweigten, bevorzugt einen linearen Alkylrest mit 1 bis 20 C-Atomen, bevorzugt 4 bis 20 C-Atomen, besonders bevorzugt 6 bis 20 C- Atomen und ganz besonders bevorzugt 8 bis 20 C-Atomen steht, und bei denen R2 und R3 unabhängig voneinander jeweils für Wasserstoff, Methyl oder Ethyl, bevorzugt Wasserstoff oder Methyl stehen. Über die Länge des Restes R1 lassen sich die Eigenschaften der ionischen Flüssigkeit, beispielsweise deren Schmelzpunkt steuern.
Bevorzugte Ammoniumionen (Ia) sind weiterhin solche, bei denen es sich bei mindes- tens einem Reste R, R1, R2 oder R3 um einen 1 bis 20 Kohlenstoffatome, bevorzugt 2 bis 20 Kohlenstoffatomen aufweisenden Rest handelt, welcher mit einer OH-Gruppe, bevorzugt einer terminal angeordneten OH-Gruppe substituiert ist. Bevorzugt kann es sich um Mono-, Di- oder Triethanolammoniumionen handeln, beispielsweise HO-CH2- CH2-NH3 +, (HO-CH2-CH2-)2NH2+, (HO-CH2-CH2-)3NH+ oder HO-CH2-CH2-N(CHa)3 + (Cholin). Die Reste können optional noch weitere Substituenten umfassen, wie insbesondere -COOH. Ein Beispiel umfasst Carnitin (H3C)3N+-CH2-CH(OH)-CH2-COO-.
Bevorzugte Pyridiniumionen (Ib) und Imidazoliumionen (Ic) umfassen solche, bei denen mindestens einer der Reste R und R1 bis R4 bzw. R5 für einen linearen oder ver- zweigten, bevorzugt einen linearen Alkylrest mit 1 bis 20 C-Atomen, bevorzugt 4 bis 20 C-Atomen und besonders bevorzugt 6 bis 20 C-Atomen steht, und die verbleibenden Reste jeweils unabhängig voneinander jeweils für Wasserstoff, Methyl oder Ethyl, bevorzugt Wasserstoff oder Methyl stehen.
Das Anion Ym" weist erfindungsgemäß die allgemeine Formel (II)
R6O-(R7-O-)χ-R8-COO- (II)
auf. Bei dem Rest R6 handelt es sich um eine geradkettige oder verzweigte Kohlen- wasserstoffgruppe mit 1 bis 3 C-Atomen, wobei die Wasserstoffatome auch ganz oder teilweise durch Fluor substituiert sein können. Bevorzugt handelt es sich um einen Alkylrest ausgewählt aus der Gruppe von Methyl, Ethyl, n-Propyl oder i-Propyl. Bevorzugt handelt es sich um eine Methyl- oder eine Ethylgruppe und ganz besonders bevorzugt um eine Methylgruppe.
Der Rest R6 ist über x Alkoxygruppen der Formel -R7-O- mit der Gruppe -R8-COO" verbunden, wobei die Alkoxygruppen in einem Anion gleich oder verschieden sein können.
Bei den Resten R7 handelt es sich um Alkylengruppen mit 2 bis 4 Kohlenstoffatomen, wobei die Wasserstoffatome auch ganz oder teilweise durch Fluor substituiert sein können. Beispiele für R7 umfassen 1 ,2-Ethylengruppen -CH2-CH2-, 1 ,2-Propylen- gruppen -CH2-CH(CH3)-, 1 ,3-Propylengruppen -CH2-CH2-CH2-, 1 ,4-Butylengruppen -CH2-CH2-CH2-CH2- oder 1 ,2-Butylengruppen -CH2-CH(C2H5)-. Bevorzugt handelt es sich um 1 ,2-Ethylengruppen -CH2-CH2- und/oder 1 ,2-Propylengruppen -CH2-CH(CHs)- und besonders bevorzugt um 1 ,2-Ethylengruppen -CH2-CH2-. Bevorzugt handelt es sich bei mindestens 50 % der Alkylengruppen um 1 ,2-Ethylengruppen. Sofern es sich um verzweigte Alkylengruppen handelt, können diese in der dargestellten Orientierung oder auch in umgekehrter Orientierung in das Anion eingebaut sein.
Bei dem Rest R8 handelt es sich um eine verzweigte oder unverzweigte Alkylengruppe mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen, wobei die Wasserstoffatome auch ganz oder teilweise durch Fluor substituiert sein können. Beispiele umfassen eine Methylengruppe -CH2-, eine 1 ,2-Ethylengruppe -CH2-CH2-, eine 1 ,2-Propylengruppe -CH2-CH(CHs)-, eine 1 ,3-Propylen-gruppe -CH2-CH2-CH2-, eine 1 ,4-Butylengruppe -CH2-CH2-CH2-CH2- oder eine t-Butylengruppe -CH2-C(CHs)2-. Bevorzugt handelt es sich um eine Methy- lengruppe -CH2-.
Die Zahl x weist einen Wert von 2 bis 8, bevorzugt 2 bis 6, besonders bevorzugt 3 bis 5 und ganz besonders 3 auf, wobei x hierbei in bekannter Art und Weise für den Mittelwert der vorhandenen Alkoxygruppen steht, welcher selbstverständlich nicht eine na- türliche Zahl sein muss, sondern auch eine beliebige rationale Zahl sein kann.
Die Eigenschaften der erfindungsgemäßen ionischen Flüssigkeiten können vom Fachmann durch die Auswahl von Anionen und Kationen beeinflusst werden. Selbstverständlich kann eine ionische Flüssigkeit auch mehrere verschiedene Anionen Y- und/oder mehrere verschiedene Kationen Xn+ enthalten.
Ohne dass wir hierbei an eine bestimmte Theorie gebunden sein möchten, scheinen die besonderen Eigenschaften der erfindungsgemäßen ionischen Flüssigkeiten durch Chelatbildung zumindest beeinflusst zu sein, wie nachfolgend exemplarisch für den Fall einer Carboxylgruppe und eines Natriumions gezeigt ist.
Figure imgf000007_0001
Durch diese interne Chelatbildung nimmt der salzartige Charakter der ionischen Flüs- sigkeiten ab und die ionische Flüssigkeit verhält sich unpolarer. Beispielsweise ist der Schmelzpunkt der erfindungsgemäßen ionischen Flüssigkeiten im Vergleich zu anderen Salzen mit ähnlichen Kationen relativ niedrig und das Lösevermögen für unpolare Substanzen ist gut. Unter Verwendung der erfindungsgemäßen Anionen lassen sich beispielsweise bei Raumtemperatur flüssige, langkettige Alkylimidazolium-Salze herstellen.
Besonders bevorzugt sind ionische Flüssigkeiten aus dem Anion
1-13CO-(CH2-CH2-O)3-CH2-COO- (III) und Kationen ausgewählt aus der Gruppe von Na+, K+, NH4 + oder FC-NH3 +, wobei R1 bei dieser bevorzugten Variante für einen linearen Alkylrest mit 1 bis 20, bevorzugt 4 bis 20, besonders bevorzugt 6 bis 18 und ganz besonders bevorzugt 8 bis 18 C-Atomen steht. Beispiele besonders bevorzugter Ionen R1-NH3 + in (III) umfassen n-Hexylammonium, n-Octylammonium, n-Decylammonium, n-Dodecylammonium, n-Tetradecylammonium, n-Hexadecylammonium und n-Octa- decylammonium.
Weiterhin besonders bevorzugte Kationen für das Anion (III) sind Ca2+, Mg2+, Cholin, sowie Tetraalkylammoniumionen, Imidazoliumionen und Pyridiniumionen, welche jeweils einen linearen Alkylrest R1 mit 4 bis 20, bevorzugt 6 bis 18 und besonders bevorzugt 8 bis 18 C-Atomen aufweisen.
Die Herstellung der erfindungsgemäßen ionischen Flüssigkeiten kann beispielsweise erfolgen, indem man zunächst einmal die dem Anion R6O-(R7-O-)X-R8-COO" (II) entsprechenden Säuren R6O-(R7-O-)X-R8-COOH (V) synthetisiert und in einem zweiten Schritt die Säure mit einer Base umsetzt, welche das Kation oder eine Vorstufe davon enthält. Eventuell im Zuge der Synthese verwendete Lösemittel werden aus dem Reaktionssystem entfernt.
Zur Synthese der Säuren R6O-(R7-O-)X-R8-COOH (V) kann beispielsweise man von den entsprechenden Polyoxyalkylenmonoalkylethern R6O-(R7-O-)X-H (IV) ausgehen. Diese werden mit einer Halogencarbonsäure der allgemeinen Formel Hal-R8-COOH zur Carbonsäure R6O-(R7-O-)X-R8-COOH (V) umgesetzt, wobei HaI für F, Cl, Br und I, bevorzugt Cl, Br und I steht. Bevorzugt kann eine ω-Chlorcarbonsäure der allgemeinen Formel CI-R8-COOH eingesetzt werden, und in einer besonders bevorzugten Synthesevariante setzt man Chloressigsäure ein. Die Umsetzung kann vorgenommen werden, indem man den wasserfreien Etheralkohol (IV) mit elementarem Natrium zum reaktiveren Alkoholat umsetzt. Die Carbonsäure (V) kann mittels dem Fachmann be- kannter Technologien isoliert werden und beispielsweise durch Vakuumdestillation gereinigt werden.
Die Carbonsäuren (V) können in einem zweiten Schritt mit entsprechenden Basen neutralisiert werden. Lösemittel, in denen die Base eventuell gelöst war, werden an- schließend destillativ abgetrennt. Die Herstellung des Natriumsalzes kann beispielsweise durch Neutralisation mit der entsprechenden Menge wässriger NaOH, gefolgt vom Entfernen des Wassers im Vakuum erfolgen. Sie kann auch wasserfrei durch Um- setzen der Carbonsäure (V) mit Natriumhydrogencarbonat in einem Alkohol gefolgt vom destillativen Abtrennen des Alkohols erfolgen.
Ionische Flüssigkeiten mit Ammoniumionen (Ia), (Ib) oder (Ic) können für den Fall, dass R Wasserstoff ist, einfach hergestellt werden, in dem man das entsprechende unproto- nierte Amin ggf. gelöst in einem geeigneten Lösemittel der Carbonsäure (V) zugibt. Für den Fall dass als Basen vollständig alkylierte Ammoniumionen eingesetzt werden sollen, kann man die Ammoniumionen in Form der entsprechenden Hydroxide, beispielsweise als Tetraalkylammoniumionen NR4 + OH" einsetzen. Anstelle der Hydroxide kann man auch die entsprechenden Tetraalkylammoniumhalogenide einsetzen, und in einem zweiten Schritt mittels eines Ionenaustauschers die Halogenidionen gegen Hydroxidionen austauschen. Imidazole kann man beispielsweise nach dem von WO 01/77081 beschriebenen Verfahren mit starken Basen, z.B. Kalium-tert.-Butylat zunächst zu Imidazoliumcarbenen umsetzen. Die Imidazoliumcarbene können dann mit den Säuren (V) in Kontakt gebracht werden, wobei sich Carbonsäureanionen und die entsprechenden Imidazoliumkationen bilden.
Die erfindungsgemäßen ionischen Flüssigkeiten weisen einen Schmelzpunkt von weniger als 1000C, bevorzugt weniger als 75°C und besonders bevorzugt weniger als 600C auf. Der Schmelzpunkt kann vom Fachmann durch die Wahl entsprechender
Anionen und Kationen je nach dem gewünschten Schmelzpunkt festgelegt werden. Es lassen sich auch leicht bei Raumtemperatur flüssige ionische Flüssigkeiten bereitstellen.
Die erfindungsgemäßen ionischen Flüssigkeiten können insbesondere als Löse- oder Extraktionsmittel verwendet werden.
Sie unterscheiden sich von anderen ionischen Flüssigkeiten durch eine stärkere Fähigkeit, Kationen zu komplexieren. Sie enthalten weiterhin keine toxischen Komponenten und weisen eine sehr hohe elektrochemische Stabilität auf. Die erfindungsgemäßen ionischen Flüssigkeiten eignen sich besonders als Lösemittel zur Durchführung chemischer Reaktionen, insbesondere zur Durchführung von Metathesereaktionen oder als Lösemittel für natürliche und synthetische Polymere. Dabei zeigen sie je nach Zusammensetzung die Eigenschaften von klassischen Lösungsmitteln, von Hydrotropen oder von Tensiden.
Sie können weiterhin als Extraktionsmittel für die flüssig-flüssig-Extraktion verwendet werden, beispielsweise zur Extraktion von Schwermetallen, pharmakologisch aktiven Substanzen, Naturstoffen, Nahrungsstoffen bzw. Nahrungszusatzstoffen.
Sie können weiterhin als nichtwässrige Elektrolyt^ oder Komponenten nichtwässriger Elektrolyt^ in Energiespeichersystemen, beispielsweise Batterien, oder Energieum- Wandlungssystemen, wie beispielsweise Solarzellen eingesetzt werden. Außerdem eignen sie sich als Lösungsmittel für elektrochemische Prozesse, wie beispielsweise elektrochemische Metallabscheidung.
Weitere Verwendungen umfassen die Verwendung als Lösemittel und/oder strukturierende Matrix in der Nanopartikelsynthese, die Verwendung zum Stabilisieren von Na- nopartikeln oder als Lösemittel für natürliche und synthetische Polymere.
Selbstverständlich können die erfindungsgemäßen ionischen Flüssigkeiten zum Ein- satz auch mit anderen ionischen Flüssigkeiten gemischt werden. Hierdurch lassen sich weitere ionische Flüssigkeiten mit neuartigem Eigenschaftsspektrum erhalten.
Die erfindungsgemäßen ionischen Flüssigkeiten haben bei der Verwendung als Lö- sungs- und Extraktionsmittel eine Reihe von Vorteilen:
Die ionische Flüssigkeit erlaubt es, Lösungen von Salzen in einem nicht-wässrigen, aprotischen Medium zur Verfügung zu stellen. Solche Lösungen lassen sich in elektrochemischen Verfahren, beispielsweise der elektrochemischen Metallabscheidung vorteilhaft nutzen, denn nicht jedes Metall lässt sich aus einem wässrigen Medium ab- scheiden. Das Cyclovoltagramm der erfindungsgemäßen ionischen Flüssigkeiten zeigt ein breites Spannungsfeld und somit eine hohe Redox-Stabilität. Sie sind daher für elektrochemische Anwendungen besonders gut geeignet.
Durch ihren aprotischen Charakter sind die ionischen Flüssigkeiten als Reaktionsmedi- um für chemische Reaktionen geeignet, in deren Verlauf salzartige oder polare Stoffe in Lösung gehalten werden müssen, die aber gleichzeitig durch das Vorhandensein von protischen Gruppen, wie beispielsweise OH-Gruppen oder Wasser gestört würden.
Ferner weisen ionischen Flüssigkeiten elektrische Leitfähigkeit auf, ohne Wasser zu enthalten und kommt dadurch für eine Vielzahl technischer Verfahren Frage, in denen wasserfreie Flüssigkeiten mit hoher Dielektrizitätskonstante eingesetzt werden müssen.
Die erfindungsgemäßen ionischen Flüssigkeiten sind schwer flüchtig. Schwer flüchtige Lösemittel sind in technische Anlagen interessant, in denen es auf die Erzielung niedriger Drucke ankommt (z. B. Pumpen). Weiterhin weisen insbesondere die Na+ und K+- Salze sehr hohe Zersetzungspunkte und eine geringe Korrosivität auf. Sie eignen sich daher besonders für Hochtemperaturanwendungen, z.B. zur Hochtemperaturschmierung oder bei der Leiterplattenherstellung.
Die folgenden Beispiele sollen die Erfindung näher illustrieren: Beispiel 1 - Synthese von Natrium-2,5,8,11-tetraoxatridecan-13-oat (TEGM ECH2COQ- Na+)
Figure imgf000011_0001
1. Stufe Herstellung der Polyethercarbonsäure:
15.3 g Na werden in 260 ml_ Triethylenglykolmonomethylether in Schutzgasatmosphä- re unter starkem Rühren gelöst. Zunächst wird dabei bei Raumtemperatur gearbeitet und später sukzessive ca. 1200C erhitzt. Nach vollständigem Auflösen des Na wird auf 1000C abgekühlt, und es werden 30.9 g Chloressigsäure gelöst in 60 ml_ Triethylengly- kol-monomethylether zugetropft. Die Reaktionsmischung wird daraufhin für etwa 12 h bei 100°C gerührt.
Überschüssiger Triethylenglykolmonomethylether wird nun im Ölpumpenvakuum (etwa 10"3 mbar) abdestilliert (Siedepunkt: ca. 88-900C). Der erkaltete Rückstand wird anschließend mit ca. 150 ml_ Wasser und nach kurzem Rühren mit 23 ml_ 85%iger Phosphorsäure versetzt. Die nun klare braune Lösung wird insgesamt 3 x mit 200 ml_ Di- chlormethan extrahiert. Die vereinigten organischen Phasen werden mit Magnesiumsulfat getrocknet. Filtration und Abziehen des Lösungsmittels liefern schließlich eine dunkelbraune ölige Flüssigkeit.
Die rohe 2,5,8,1 1-Tetraoxatridecan-13-säure wird durch zweifache Destillation im Öldif- fusionspumpenvakuum (ca. 10"7 mbar; Siedepunkt 135-145°C) aufgereinigt. Letztlich erhält man eine farblose viskose Flüssigkeit.
2. Stufe: Umsetzung zum Na-SaIz
Das Natriumsalz der 2,5,8,1 1-Tetraoxatridecan-13-säure wird durch Umsetzung der Säure mit äquimolaren Mengen an wässriger θ,1 m Natriumhydroxidlösung erhalten. Nach der Neutralisation wird das Wasser abrotiert. Trocknung des Produkts erfolgt sukzessive im Ölpumpen-, Öldiffusionspumpen- und Turbomolekularpumpenvakuum (jeweils mehrere Tage).
Alternativ kann die Verbindung Natrium-2,5,8,11-tetraoxatridecan-13-oat auch nicht- wässrig durch Umsetzung von äquimolaren Mengen an 2,5,8,11-Tetraoxatridecan-13- säure und Natriumhydrogencarbonat in Ethanol hergestellt werden. Die Trocknung erfolgt analog zur wässrigen Synthese. In einer dritten Variante kann die Polyethercarbonsäure in wässriger Lösung mit Na- OH-Maßlösung gerade bis zum Äquivalenzpunkt titriert (über pH-Messung). Diese Methode vermeidet Ungenauigkeiten beim Einwiegen der beiden Komponenten, so dass Äquimolarität sicher gewährleistet ist. Die Aufarbeitung erfolgt wie oben beschrieben.
Natrium-2,5,8,11-tetraoxatridecan-13-oat ist mit Wasser, Dichlormethan, Pentanol und Aceton in jedem Verhältnis mischbar, mit Diethylether teilweise. Die Viskosität bei 25°C liegt bei niedriger Scherrate in der Größenordnung von einer Million Millipascalsekun- den. Der Schmelzpunkt ist in Tabelle 1 aufgeführt.
Beispiel 2: Synthese von Lithium-2,5,8,11-tetraoxatridecan-13-oat (TEGMECH2COQ-
Es wird wie unter Beispiel 1 beschrieben vorgegangen, nur wurde zum Neutralisieren LiOH verwendet. Der Schmelzpunkt ist in Tabelle 1 aufgeführt.
Beispiel 3: Synthese von Kalium-2,5,8,11-tetraoxatridecan-13-oat (TEGM ECH2COQ-
Es wird wie unter Beispiel 2 beschrieben vorgegangen, nur wurde zum Neutralisieren KOH verwendet. Der Schmelzpunkt ist in Tabelle 1 aufgeführt.
Beispiel 4: Synthese von Calcium-di(2,5,8,1 1-tetraoxatridecan-13-oat) (TEG-
Figure imgf000012_0001
Es wird wie unter Beispiel 2 beschrieben vorgegangen, nur wurde zum Neutralisieren CaCθ3 verwendet. Der Schmelzpunkt ist in Tabelle 1 aufgeführt.
Beispiel 5: Synthese von Hexylammonium-2,5,8,11-tetraoxatridecan-13-oat
Figure imgf000012_0002
2,5,8,1 1-Tetraoxatridecan-13-säure wird wie in Beispiel 1 beschrieben hergestellt. Die Alkylammoniumsalze sind generell durch direktes Umsetzen der Säure mit äquimo- laren Mengen des betreffenden Amins zugänglich. Zur Synthese von Hexylammonium-2,5,8,11-tetraoxatridecan-13-oat wird 2,5,8, 11 -Te- traoxatridecan-13-säure mit n-Hexylamin neutralisiert. Die Reaktion kann hierbei sowohl lösungsmittelfrei (z.B. Zutropfen von reinem Hexylamin zur Ethercarbonsäure, unter Kühlung) als auch in organischen Lösungsmitteln (typischerweise Ethanol) erfolgen. Um eine Rückreaktion und das Abdampfen des Amins während der Trocknung im Hochvakuum zu vermeiden, werden die Verbindungen lediglich im Ölpumpenvakuum etwa einen Tag lang getrocknet. Da die Synthesen wasserfrei erfolgen und da während der Neutralisation kein Wasser entsteht, reicht diese mildere Trocknung hier aus. Der Schmelzpunkt ist in Tabelle 1 aufgeführt.
Die Viskosität des Ammoniumsalzes ist deutlich niedriger als die des Natriumsalzes und liegt in der Größenordnung von 20.000 mPas. Sie ist ist damit vergleichbar mit der Viskosität von Honig oder Sirup. Aus elektrischen Leitfähigkeits- und Fluoreszenz- Messungen kann gefolgert werden, dass die ionische Flüssigkeit gemäß Beispiel 5 in wässriger Lösung hydrotropen Charakter aufweist.
Beispiel 6: Synthese von Dodecylammonium-2,5,8,11-tetraoxatridecan-13-oat
Figure imgf000013_0001
Es wird wie in Beispiel 4 vorgegangen, nur wird n-Dodecylamin zur Neutralisierung verwendet.
Aus Messungen der elektrischen Leitfähigkeit und der Oberflächenspannung im wäss- rigen Medium kann gefolgert werden, dass die ionische Flüssigkeit gemäß Beispiel 6 tensidischen Charakter aufweist. Aufgrund der amphiphilen und damit lösevermittelnden Eigenschaften weist die ionische Flüssigkeit gemäß Beispiel 6 ein breiteres Lösespektrum gegenüber herkömmlichen ionischen Flüssigkeiten auf. Weiterhin kann gefolgert werden, dass die ionische Flüssigkeit gemäß Beispiel 6 strukturierende Eigen- schatten in Wasser, organischen Lösungsmitteln und insbesondere auch im Reinzustand besitzt. Dementsprechend kann sie beispielsweise als Strukturgeber (Templat) in Mineralisierungsprozessen dienen (z.B. für mesoporöse Silikate). Des Weiteren liegt die ionische Flüssigkeit aus Beispiel 6 bei Raumtemperatur flüssig vor (Schmelzpunkt siehe Tabelle 1 ). Aufgrund dieses sehr niedrigen Schmelzpunktes mischt sich die ioni- sehe Flüssigkeit mit Wasser in jedem Verhältnis zu einer niedrig viskosen Flüssigkeit im Gegensatz zu klassischen ionischen Tensiden, bei denen sich bei hohen Tensid- Konzentrationen in Wasser hochviskose flüssigkristalline Phasen ausbilden. Beispiele 7 bis 11 : Synthese von weiteren Alkylammonium-2,5,8,11-tetraoxatridecan- 13-oaten
Es wurde wie in Beispiel 5 vorgegangen, nur wurden die folgenden Amine eingesetzt:
Beispiel 7: n-Octylamin
Beispiel 8: n-Decylamin
Beispiel 9: n-Tetradecylamin
Beispiel 10: n-Hexadecylamin Beispiel 1 1 : n-Octadecylamin
Die Schmelzpunkte, Zersetzungspunkte und Viskositäten sind jeweils in Tabelle 1 aufgeführt.
Zusammenstellung der Eigenschaften
Figure imgf000014_0001
Tabelle 1 :
Schmelz- und Zersetzungspunkte (Einsetzen der Zersetzung) sowie Viskositäten verschiedener 2,5,8,1 1-tetraoxatridecan-13-oate. 1AIIe untersuchten Flüssigkeiten verhalten sich wie newtonsche Fluide n.b. nicht bestimmt
Tabelle 1 zeigt, dass die Schmelzpunkte der ionischen Flüssigkeiten mit zunehmender Kettenlänge des Alkylrestes im Anion zunehmen. Durch Auswahl der Kettenlänge kann also der Schmelzpunkt gezielt eingestellt werden. Ebenso lassen sich der Zersetzungspunkt und die Viskosität durch die Wahl des Kations beeinflussen.
Verwendung der ionischen Flüssigkeiten
Mit dem gemäß Beispiel 1 synthetisierten Natrium-2,5,8,1 1-tetraoxatridecan-13-oat wurden Löseversuche durchgeführt.
Ammoniumnitrat ist in TEGMECHbCOONa auch bei Raumtemperatur gut löslich, wäh- rend NaCI sich in geringen Konzentrationen bei Temperaturen über 1000C löst. Bei 1200C ist Magnesiumsulfat in TEGMECHbCOONa nennenswert löslich. Besonders erwähnenswert im Hinblick auf die Umweltverträglichkeit des Natriumsalzes ist die Löslichkeit von Olivenöl mit bis zu zehn Gewichtsprozent in TEGMECH2COONa.

Claims

Patentansprüche
1. Ionische Flüssigkeit der allgemeinen Formel Vn[Xn+] [Y"] mit einem Schmelzpunkt von weniger als 1000C, wobei n für 1 ,
2 oder 3 steht, dadurch gekennzeichnet, dass
• es sich bei dem Kation Xn+ um ein Kation ausgewählt aus der Gruppe von Metallionen, quartären Ammonium-, Oxonium-, Sulfonium- oder Phospho- niumionen handelt, und
• dass das Anion Y- die allgemeine Formel (II) aufweist
R6O-(R7-O-)χ-R8-COO- (II),
wobei
• x für eine Zahl von 2 bis 8 steht,
• R6 für eine verzweigte oder unverzweigte Kohlenwasserstoffgruppe mit 1 bis 3 Kohlenstoffatomen steht,
• die Reste R7 jeweils unabhängig voneinander für eine verzweigte oder unverzweigte Alkylengruppe mit 2 bis 4 Kohlenstoffatomen stehen, und
• R8 für eine verzweigte oder unverzweigte Alkylengruppe mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen steht, wobei in den Resten R6, R7 und R8 jeweils die Wasserstoff atome auch ganz oder teilweise durch Fluor substituiert sein können.
Ionische Flüssigkeit gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Kation um mindestens eines ausgewählt aus der Gruppe von Alkalimetallionen, Erdalkalimetallionen, Ammoniumionen der Formeln (Ia), (Ib) und (Ic)
R
Figure imgf000016_0001
(Ia) (Ib) (Ic)
Phosphoniumionen der allgemeinen Formel (Id) oder Sulfoniumionen der allgemeinen Formel (Ie) R2 R2
3 ' + 1 1 + 1
R3— P-R1 S-R1
I I R R
(Id) (Ie)
handelt, wobei die Reste R sowie R1 bis R5 unabhängig voneinander jeweils für Wasserstoff oder einen gesättigten oder ungesättigten, acyclischen oder cycli- sehen, aliphatischen, aromatischen oder araliphatischen Kohlenwasserstoffrest mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen stehen, und wobei in den Resten nicht benachbarte Kohlenstoffatome auch durch Sauerstoffatome und/oder Stickstoffatome substituiert sein können oder die Wasserstoffatome des Restes mit funktionellen Gruppen substituiert sein können.
3. Ionische Flüssigkeit gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Kation um mindestens eines ausgewählt aus der Gruppe von Alkalimetallionen, Erdalkalimetallionen oder Ammoniumionen der Formel (Ia) handelt.
4. Ionische Flüssigkeit gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um Ammoniumionen (Ia) handelt, bei denen R für Wasserstoff, R1 für einen linearen oder verzweigten Alkylrest mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen und R2 und R3 unabhängig voneinander jeweils für Wasserstoff, Methyl oder Ethyl stehen.
5. Ionische Flüssigkeit gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei R1 um einen linearen Alkylrest mit 8 bis 20 Kohlenstoffatomen handelt.
6. Ionische Flüssigkeit gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um Ammoniumionen (Ia) handelt, bei denen es sich bei mindestens einem der Reste R, R1, R2 oder R3 um einen 1 bis 20 Kohlenstoffatome aufweisenden Rest handelt, welcher mit einer OH-Gruppe sowie optional einer COOH-Gruppe substituiert ist.
7. Ionische Flüssigkeit gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeich- net, dass es sich bei R6 um eine Methylgruppe handelt.
8. Ionische Flüssigkeit gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass es sich mindestens 50 % der Gruppen R7 um 1 ,2-Ethylengruppen handelt.
9. Ionische Flüssigkeit gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass x für 3 bis 5 steht.
10. Ionische Flüssigkeit gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei R8 um eine Methylengruppe -C H 2- handelt.
1 1. Ionische Flüssigkeit gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Kation um Li+, Na+, K+, NH4 + oder ein Ammoniumion der allgemeinen
Formel R1-NH3+ handelt, wobei R1 für einen linearen Alkylrest mit 1 bis 20 C- Atomen steht, und es sich bei dem Anion um H3CO-(-CH2-CH2-O-)3-CH2-COO- handelt.
12. Ionische Flüssigkeit gemäß Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei R1 für einen linearen Alkylrest mit 8 bis 20 C-Atomen handelt.
13. Verfahren zur Herstellung einer ionischen Flüssigkeit gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass man
• in einer ersten Reaktionsstufe einen Polyoxyalkylenmonoalkylether R6O- (R7-O-)χ-H (IV) mit einer Halogencarbonsäure der allgemeinen Formel HaI- R8-COOH, wobei HaI für F, Cl, Br oder I steht, zur Carbonsäure R6O-(R7-O-)X-R8-COOH (V) umsetzt, und
• in einer zweiten Reaktionsstufe die gebildete Carbonsäure R6O-(R7-O-)X- R8-COOH (V) mit einer Base X(OH)n oder [X - nH] unter Bildung der ionischen Flüssigkeit Vn[Xn+] [R6O-(R7-O-)X-R8-COO-] neutralisiert,
mit der Maßgabe, dass verwendete Lösemittel und/oder während der Reaktion gebildete Lösemittel jeweils vollständig abgetrennt werden.
14. Verfahren gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Halogencarbonsäure um Chloressigsäure handelt.
15. Verwendung von ionischen Flüssigkeiten gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 als Lösemittel.
16. Verwendung gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass man das Lösemittel zur Durchführung chemischer Reaktionen einsetzt.
17. Verwendung gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass man das Lösemittel zum Lösen natürlicher und synthetischer Polymere einsetzt.
18. Verwendung gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass man das Lösemittel für elektrochemische Prozesse einsetzt.
19. Verwendung gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass man das Lösemittel zum Herstellen und Stabilisieren von Nanopartikeln einsetzt.
20. Verwendung von ionischen Flüssigkeiten gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 als Extraktionsmittel für die flüssig-flüssig-Extraktion.
21. Verwendung von ionischen Flüssigkeiten gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 als Elektrolyte oder Komponenten nichtwässriger Elektrolyte in Energiespeichersystemen und Energieumwandlungssystemen,
22. Verwendung von ionischen Flüssigkeiten gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 als Hochtemperaturschmiermittel.
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