WO2009101201A2 - Mischungen aus metallhydriden und ionischen flüssigkeiten und verwendungen solcher mischungen - Google Patents
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- C07C29/136—Preparation of compounds having hydroxy or O-metal groups bound to a carbon atom not belonging to a six-membered aromatic ring by reduction of an oxygen containing functional group of >C=O containing groups, e.g. —COOH
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Definitions
- the present invention relates to mixtures of metal hydrides and ionic liquids and uses of such mixtures.
- Ionic liquids which are ionic compounds with comparatively low melting points (below about 100 ° C. or RT), have been studied for some years, inter alia, as alternative solvents in organic synthesis, catalysis, biocatalysis and electrochemistry (P.Wasserborg and T. Welton , Lonic Liquids in Synthesis, Wiley Verlag, Weinheim 2002, A. Fernicola, B. Scrosati and H.Ohno, Ionics 2006, 12, 95-102).
- liquids composed of ions have negligible vapor pressure, which greatly reduces emissions and reduces exposure to inhalation and flammability.
- desired physicochemical properties such as dissolving power (eg water miscibility, hydrophobicity, etc.), viscosity, conductivity as well as thermal, chemical and electrochemical stability.
- hydrides include the hydride compounds of alkali and alkaline earth metals. From their responsiveness forth the polymeric, non-volatile covalent hydrides of the 3rd main group (eg, AIH 3) and the second Subgroup (eg ZnH 2 ) very similar.
- the complex metal hydrides M [EH 4 ] n contain a covalent anion EH 4 " Due to the pronounced electropositive character of M, the hydrides considered are salt-ionic and also non-volatile.
- Salt melts also have a strong corrosive effect on almost all materials; In contact with stainless steel, pitting corrosion is a typical damage pattern.
- a solution of the volatile, covalent hydride borazane (H 3 BNH 3 ) in an ionic liquid (bmimCl, butylmethylimidazolium chloride, LG Sneddon, J. Am. Chem. Soc., 2006, 128, 7748-9).
- ionic compounds having a melting point below 200 0 C, preferably below 150 0 C of the general formula I are selected as solvent:
- R 1 R 2 E (CYm) n is preferred - A -
- Dialkylpiperidinium, dialkylpyrrolidinium or alkylpyridinium (in this case, R 2 is omitted).
- E is selected from the group N, P, As, Sb and
- Tris (alkylsulfonyl) methide ((R 8 SO 2 ) 3 C " ), phosphate (PO 3 3" ), carboxylate (R 8 COO " ) and wherein the alkyl radicals R 8 and the aryl radicals Ar are preferably also completely or partially fluorinated Particularly preferably, R 8 is equivalent to: CF 3 , C 2 F 5 , C 3 F 7 and C 4 F 9 and Ar is equivalent to C 6 F 5
- the anion can be selected from the group of the Bischelatoborate I and the Difluorochelato borates II
- L is a chelator with two terminal oxygen atoms with the general formula
- TBABr tetrabutylammonium bromide
- TTTDP-IM Trihexyltetradecylphosphonium imide
- TTTDP-CI Trihexyltetradecylphosphonium chloride
- TTTDP-Br Trihexyltetradecylphosphonium bromide
- the ionic liquids according to the invention were mixed with lithium hydride and also tested for stability by DSC test:
- lithium hydride is completely insoluble in all known aprotic organic solvents.
- metal borohydrides preferably alkali metal and alkaline earth metal borohydrides, particularly preferably LiBH 4 , NaBH 4 , KBH 4 , Mg (BH 4 ) 2 , Ca (BH 4 ) 2
- aluminum hydrides preferably alkali metal and alkaline earth aluminum hydrides, particularly preferably LiAlH 4 , NaAlH 4 , KAIH 4 , Li 3 AlH 6 , Li 2 NaAlH 6 , Mg (AlH 4 ) 2 , Ca (AlH 4 ) 2 , Ba (AlH 4 ) 2 .
- the non-volatile ionic or covalent binary hydrides or the complex ionic hydrides (related hydrides) can be dissolved in said specific ionic liquids and used in such form as hydrogenating or reducing agent and as hydrogen storage.
- any mixtures of said hydrides with each other and mixtures with other salt-like components such as Metal nitrides, more preferably Li 3 N, Na 3 N, Mg 3 N 2 , Ca 3 N 2 , metal amides, more preferably LiNH 2 , NaNH 2 , Mg (NH 2 ) 2 , Ca (NH 2 ) 2 or metalimides such as Li 2 NH are used.
- mixtures of ionic liquids according to the invention are solvents.
- Such mixtures of two or more IL components have melting point depression, which is particularly advantageous when it is intended to be used at as low a temperature as possible.
- Trimethylchlorosilane can be hydrogenated to trimethylsilane by means of lithium hydride in ILs according to the invention:
- the procedure is as follows: in a glass flask with nitrogen connection, the solvent is placed under exclusion of air and moisture, ie under an inert gas atmosphere, and the desired amount of LiH is added. Then, the mixture is stirred at ambient temperature (for liquid mixtures) or elevated temperatures for some time (a few minutes to about 1 hour) to effect dissolution of the hydride. Then the chlorosilane is added within 5 to 300 min.
- Gaseous reaction products eg Me 3 SiH (bp 6,7 0 C) are collected and characterized in a dry ice cold trap
- the reaction mixture is heated after completion of the reaction and the product is distilled from the non-volatile ionic liquid
- the distillation is preferably carried out under reduced pressure Extract the reaction product with an IL-immiscible solvent.
- the products are characterized by the usual spectroscopic methods (multinuclear NMR, IR) as well as wet analytical methods (e.g., gas volumetry).
- Tributylsilane can be prepared in molten ammonium ILs at 70 - 120 0 C with good or quantitative yield. The production of dimethylsilane is easy. Monosilane with a boiling point of -112 0 C escapes the reaction mixture in gaseous form. However, partially hydrogenated intermediates such as SiH 3 Cl or SiH 2 Cl 2 are very volatile and therefore can also escape the reaction flask. If the monosilane is to be prepared in high yield and purity, it is necessary to ensure sufficiently long contact times between the educt (and the partially hydrogenated intermediates) and the LiH solution according to the invention.
- Example 14 This is most easily done in the laboratory experiment by connecting several reaction flasks in series with the LiH / IL solution according to the invention.
- the SiCl 4 is then metered into the first flask and the product gas stream passes through a series of further reaction vessels with LiH / IL solution according to the invention.
- the different yields in Example 14 are due to experiments with a different number of reaction vessels connected in series.
- the yields found according to Example 14 were as follows, depending on the number of reaction flasks: 48% (2 flasks); 88% (3 pistons); 95% (5 pistons).
- Another way to ensure complete reaction is to pressurize the reaction in a closed vessel and thus prevent the escape of incompletely hydrogenated silane species.
- Alkyl or aryl halides can also be hydrogenated to the corresponding H compounds (hydrocarbons). Carbonyl compounds (eg ketones, carboxylic acids, carboxylic esters, carboxylic acid amides) can be reduced to alcohols, etc.
- solutions of ionic metal hydrides in inventive ionic compounds having a melting point below 150 0 C to temperatures above the decomposition point of the dissolved ionic metal hydride or the metal hydride, optionally in the presence of other salt-like components such as metal nitrides, more preferably Li 3 N, Na 3 N , Mg 3 N 2 , Ca 3 N 2 , metal amides, more preferably LiNH 2 , NaNH 2 , Mg (NH 2 ) 2 , Ca (NH 2 ) 2 or metalimides such as Li 2 NH heated to cause hydrogen evolution.
- metal nitrides more preferably Li 3 N, Na 3 N , Mg 3 N 2 , Ca 3 N 2
- metal amides more preferably LiNH 2 , NaNH 2 , Mg (NH 2 ) 2 , Ca (NH 2 ) 2 or metalimides such as Li 2 NH heated to cause hydrogen evolution.
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Abstract
Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind Mischungen aus ionischen und/oder artverwandten Hydriden und ionischen Flüssigkeiten und die Verwendung solcher Mischungen.
Description
Mischungen aus Metallhydriden und Ionischen Flüssigkeiten und Verwendungen solcher Mischungen
Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind Mischungen aus Metallhydriden und Ionischen Flüssigkeiten und Verwendungen solcher Mischungen.
Ionische Flüssigkeiten, das sind ionisch aufgebaute Verbindungen mit vergleichsweise niedrigen Schmelzpunkten (unter etwa 100 0C bzw RT), werden seit einigen Jahren u.a. als alternative Lösemittel in der organischen Synthese, der Katalyse, Biokatalyse und Elektrochemie untersucht (P.Wasserscheid und T. Welton, lonic Liquids in Synthesis, Wiley Verlag, Weinheim 2002; A. Fernicola, B.Scrosati und H.Ohno, lonics 2006, 12, 95-102). Im Vergleich zu gewöhnlichen organischen Lösemitteln besitzen aus Ionen zusammengesetzte Flüssigkeiten einen vernachlässigbaren Dampfdruck, wodurch Emissionen stark vermindert werden und die Gefahr inhalativer Exposition und die Entflammbarkeit entsprechend reduziert werden. Durch strukturelle Variation von Kation und Anion lassen sich gewünschte physikalisch-chemische Eigenschaften wie Lösungsvermögen (z.B. Wassermischbarkeit, Hydrophobie etc), Viskosität, Leitfähigkeit sowie thermische, chemische und elektrochemische Stabilität maßschneidern.
Alkalimetallhydride wie Lithium- oder Kaliumhydrid sowie komplexe Elementhydride wie M[EH4]n (M = Alkali- oder Erdalkalimetall; n = 1 für M = Alkalimetall und n = 2 für M = Erdalkalimetall), E = B, AI, Ga, In) sind weit verbreitete Reduktions- und Hydrierungsmittel. So werden vor allem die komplexen Hydride LiAIH4 sowie NaBH4 zur Reduktion von Carbonylverbindungen oder zur Hydrierung von Elementhalogeniden eingesetzt.
Bei den binären Metallhydriden unterscheidet man zwischen ionischen, kovalenten und metallischen Hydriden (P. Rittmeyer u. U. Wietelmann, „Hydrides" in: Ullmann's Encyclopedia of Ind. Chem., A13, 199-226, Weilheim 1989). Zu den ionischen binären Hydriden gehören die Wasserstoffverbindungen der Alkali- und der Erdalkalimetalle. Von ihrem Reaktionsverhalten her sind die polymeren, nicht flüchtigen kovalenten Hydride der 3. Hauptgruppe (z.B. AIH3) und der 2.
Nebengruppe (z.B. ZnH2) sehr ähnlich. Die komplexen Metallhydride M[EH4]n enthalten ein kovalentes Anion EH4 " Aufgrund des ausgeprägt elektropositiven Charakters von M sind die betrachteten Hydride salzartig-ionisch und ebenfalls nicht flüchtig.
Viele komplexe Hydride wie Lithiumaluminiumhydrid reagieren heftig mit Wasser und anderen protischen Substanzen und werden deshalb nach Stand der Technik in organischen, leicht entflammbaren Lösungsmitteln wie Tetra hydrofu ran oder Diethylether eingesetzt. Im Verein mit den leichtentzündlichen oder pyrophoren Eigenschaften der komplexen Hydride ist die Handhabung solcher Produkte oder Produktgemische mit großen Gefahren verbunden. Dies bedingt hohe Anforderungen an den Arbeitsschutz und aufwändige sicherheitstechnische Maßnahmen. Binäre ionische Hydride wie Lithium- oder Natriumhydrid verhalten sich gegenüber Wasser ebenfalls äußerst reaktiv und sie sind in gebräuchlichen organischen Lösungsmitteln völlig unlöslich. Deshalb werden sie als Suspensionen in organischen Lösungsmitteln eingesetzt werden, was deren Verwendbarkeit stark einschränkt.
Es gab deshalb Bemühungen, reaktive, ionische Hydride wie z.B. Lithiumhydrid in nichtbrennbaren und nichtflüchtigen Lösungsmitteln zu verwenden. So wurde eine Synthese von hochreinem Monosilan in einer LiCI-KCI-Salzschmelze entwickelt. Problematisch an diesem Verfahren sind die zum Aufschmelzen des Salzeutektikums relativ hohen Temperaturen von ca. 400 0C (W. Sundermeyer und L. M. Litz, Chem. Ing. Techn. 37, 14 (1965); H.-J. Klockner und M. Eschwey, Chem. Ing. Techn. 60, 815 (1988)). Die hohen Verfahrenstemperaturen bedingen einen zum Aufheizen der Apparatur notwendigen Energieverbrauch. Salzschmelzen wirken außerdem stark korrosiv auf fast alle Materialien; in Kontakt mit Edelstahlen ist Lochfraßkorrosion ein typisches Schadensbild. Bekannt ist ebenfalls eine Lösung des flüchtigen, kovalenten Hydrids Borazan (H3BNH3) in einer ionischen Flüssigkeit (bmimCI, Butylmethylimidazoliumchlorid, L.G. Sneddon, J.Am.Chem.Soc. 2006, 128, 7748-9).
Aufgabenstellung
Für eine sichere und umweltschonende Verwendung von reaktiven ionischen und artverwandten Hydriden sind deshalb Medien wünschenswert, die
• Ionische und artverwandte Hydride lösen,
• in Gegenwart dieser Hydride stabil sind,
• die bei den Verwendungstemperaturen einen möglichst geringen Dampfdruck besitzen,
• die unbrennbar sind bzw keine flüchtigen, entzündbaren Gase oder Dämpfe bilden und die
• einen niedrigen Schmelzpunkt und einen weiten Flüssigkeitsbereich besitzen.
Unter „artverwandten Hydriden" sind erfindungsgemäß solche Hydride zu verstehen, die ähnlich reaktiv wie die ionische Hydride sind.
Lösung der Aufgabe
Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, dass ionische Verbindungen mit einem Schmelzpunkt unterhalb von 2000C, vorzugsweise unterhalb von 150 0C der allgemeinen Formel I (im folgenden als ionische Flüssigkeiten oder IL's bezeichnet) als Lösemittel gewählt werden:
[ER1R2R3R4] [X]
wobei
R1, R2, R3 und R4 unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe: Alkyl, Aryl, gegebenenfalls substituiert mit einem oder mehreren Alkoxy- (-OR5) oder Amino (-NR6R7) - Resten und wobei R5, R6, R7 beliebige Alkyl- oder Arylreste sein können, wobei jeweils zwei Alkylreste R1, R2 unter Einschluss von E zusammen einen fünf- oder sechsgliedrigen Ring bilden können, so dass folgende genehsche Formel resultiert: R1R2E(CYm)n mit m = 1 oder 2, n = 4 oder 5 und Y = H, Alkyl oder Aryl. R1R2E(CYm)n ist bevorzugt
- A -
Dialkylpiperidinium, Dialkylpyrrolidinium oder Alkylpyridinium (in diesem Fall entfällt R2). und
E ausgewählt ist aus der Gruppe N, P, As, Sb und
X ein Anion darstellt aus der Gruppe Halogenid (F", Cl", Br", I"), Sulfat (SO4 2"), Tetrafluoroborat (BF4 "), Hexafluorophosphat (PF6 "), Hexafluoroarsenat (AsF6 "), Fluorsulfonat (FSO3 "), Alkylsulfat (R8OSO3 "), Alkoxyalkylsulfat (R8(OCH2CH2)nOSO3 ", n = 1 - 10), Arylsulfat (ArOSO3 "), Alkylsulfonat (R8SO3 "), Arylsulfonat (ArSO3 "), Bis(alkylsulfonyl)imid ((R8SO2J2N"), Bis(arylsulfonyl)imid ((ArSO2J2N"), Aryl-alkylsulfonylimid ((ArSO2)(R8SO2)N"),
Tris(alkylsulfonyl)methid ((R8SO2)3C"), Phosphat (PO3 3"), Carboxylat (R8COO") und wobei die Alkylreste R8 bzw. die Arylreste Ar bevorzugt auch ganz oder teilweise fluoriert sein können. Besonders bevorzugt ist R8 gleichbedeutend mit: CF3, C2F5, C3F7 und C4F9 und Ar gleichbedeutend mit C6F5. Weiterhin kann das Anion ausgewählt sein aus der Gruppe der Bischelatoborate I sowie der Difluorochelatoborate Il
wobei
L ein Chelatbildner mit zwei endständigen Sauerstoffatomen mit der allgemeinen Formel
ist und wobei gilt:
Y1 und Y2 bedeuten zusammen = O, mit m = 0 oder 1 , n = 0 oder 1 und R9 und R10 unabhängig voneinander H, F, Cl, Br, OR oder R' (Alkyl,) oder
Y1, Y2, Y3, Y4 bedeuten jeweils unabhängig voneinander OR (R = Alkyl), R' (Alkyl), H, F, Cl, Br, mit m = 0 oder 1 , n = 0 oder 1 , oder
Y1' C1, Y3 und C2 sind Glieder eines 5-oder 6-gliedrigen aromatischen oder heteroaromatischen Ringes (mit N, O oder S als Heteroelement), der gegebenenfalls mit Alkyl, Alkoxy, Carboxy oder Nitril substituiert sein kann, wobei Y2 und Y4 entfallen, mit n = 0 und m = 0 oder 1.
Entgegen der herrschenden Meinung, dass ionische und artverwandte Hydride wegen ihrer stark basischen Eigenschaften in IL's nicht stabil sein könnten, wurde überraschenderweise gefunden, dass dies für erfindungsgemäße ionische Verbindungen der Formel I nicht gilt.
Beispielhaft wird die Stabilität von Tetrabutylammoniumbromid („TBABr", einem Ammoniumsalz mit einem Literaturschmelzpunkt von 102 0C) in Gegenwart des binären ionischen Hydrids Lithiumhydrid betrachtet. Dazu dienen DSC-Tests in geschlossenen Metallautoklaven („Radex-Tests"):
Dargestellt ist das thermische Verhalten der reinen erfindungsgemäßen IL (TBABr) sowie von zwei verschieden konzentrierten LiH-Lösungen in TBABr. Man erkennt bei der puren IL drei Endotherma bei ca. 105, 125 und 200 0C. Die ersten beiden thermischen Ereignisse gehen auf physikalische Phänomene (Glasübergang, Schmelzen) zurück. Bei den LiH/TBABr-Mischungen erkennt man ebenfalls die beiden Endotherma, d.h. das TBABr schmilzt unzersetzt und vom Lithiumhydrid weitgehend unbeeinflusst. Wird die Schmelze aber weiter aufgeheizt, so erkennt man beim Überschreiten von ca. 165 0C (5,8 %ige LiH-Lösung) bzw 180 0C (3,3 %ige LiH- Lösung) ein exothermes Ereignis, welches auf eine Zersetzung des LiH/TBABr- Systems hindeutet. Über der Schmelztemperatur und bis zum Zersetzungspunkt liegt aber eine Lösung von LiH in der ionischen Flüssigkeit vor.
Es wurde weiterhin gefunden, dass die Mischung aus LiH und dem bei RT festen TBABr eine Schmelzpunktdepression aufweist, d.h. die Mischung erstarrt erst bei tieferen Temperaturen als die reine IL. Dies bedeutet, dass die Mischung bereits ab dieser Temperatur für die beabsichtigten chemischen Umsetzungen genutzt werden kann.
K:\ausland\OZ08010.doc
Ähnlich wie TBABr können auch andere erfindungsgemäße IL's eingesetzt werden. In der folgenden Tabelle sind einige Vertreter unter Angabe wichtiger physikalischer Daten aufgeführt:
Ionische Flüssigkeit Schmp. (0C) Zersetzungsbeginn*
Trihexyltetradecylphosphoniumimid (THTDP-IM) flüssig >350 °C
Trihexyltetradecylphosphoniumchlorid (THTDP-CI) π 295 0C
Trihexyltetradecylphosphoniumbromid (THTDP-Br) π 295 0C
Tetrabutylammoniumbromid (TBA-Br) 102 - 3 0C 195 0C** im Radex-Experiment (DSC-Test) ** Literaturwert
Strukturen:
SO2CF3
[CH3(CH2)5]3 P(CH2)13CH3]+ N [N(C4H9)4]+ SO2CF3
THTDP+ IM- TBA+
Die erfindungsgemäßen ionischen Flüssigkeiten wurden mit Lithiumhydrid gemischt und ebenfalls per DSC-Test auf Stabilität geprüft:
* im Radex-Experiment (DSC-Test)
Weiterhin wurde überraschend gefunden, dass die Löslichkeit selbst stark ionischer Hydride wie Lithiumhydrid in den oben genannten erfindungsgemäßen IL's z.T. erheblich ist:
Im Gegensatz dazu ist Lithiumhydrid in allen bekannten aprotischen organischen Lösungsmitteln vollständig unlöslich.
Anstelle von Lithiumhydrid können auch andere binäre ionische oder nicht flüchtige kovalente Hydride der 1. bis 3. Hauptgruppe sowie der 2. Nebengruppe des Periodensystems wie NaH, KH, RbH, CsH, MgH2, CaH2, SrH2, BaH2, AIH3, ZnH2 sowie komplexe ionische Hydride M[EH4Jn (M = Alkali- oder Erdalkalimetall; n = 1 für M = Alkalimetall und n = 2 für M = Erdalkalimetall, E = B, AI, Ga, In) eingesetzt werden., Speziell können Metallborhydride, bevorzugt Alkali- und Erdalkalimetallborhydride, besonders bevorzugt LiBH4, NaBH4, KBH4, Mg(BH4)2, Ca(BH4)2, sowie ebenfalls bevorzugt Aluminiumhydride, bevorzugt Alkali- und Erdalkalialuminiumhydride, besonders bevorzugt LiAIH4, NaAIH4, KAIH4, Li3AIH6, Li2NaAIH6, Mg(AIH4)2, Ca(AIH4)2, Ba(AIH4)2 verwendet werden.
Im Falle der komplexen ionischen Hydride ist es auch möglich, Alkyl-, Alkoxy- oder Dialkylamidoderivate der allgemeinen Formel M[EHZZ4-Z]n, mit Z = R, OR oder NR2, R = Alkyl oder Aryl und z = 1 bis 4, beispielsweise Lithiumth(tert- butoxy)aluminiumhydhd oder Kaliumtriethylborhydrid zu verwenden.
Die nicht flüchtigen ionischen oder kovalenten binären Hydride bzw die komplexen ionischen Hydride (artverwandte Hydride) können in den genannten speziellen ionischen Flüssigkeiten gelöst und in solcher Form als Hydrier- oder Reduktionsmittel sowie als Wasserstoffspeicher verwendet werden. Für Anwendungen als Wasserstoffspeicher können auch beliebige Mischungen der genannten Hydride untereinander sowie Abmischungen mit weiteren salzartigen Komponenten wie
Metallnitriden, besonders bevorzugt Li3N, Na3N, Mg3N2, Ca3N2, Metallamiden, besonders bevorzugt LiNH2, NaNH2, Mg(NH2)2, Ca(NH2)2 oder Metallimiden wie z.B. Li2NH eingesetzt werden.
Um besonders niedrig viskose und bei niedrigen Temperaturen schmelzende bzw erstarrende Mischungen aus ionischen Hydriden und erfindungsgemäßen ionischen Flüssigkeiten zu erhalten, kann es sinnvoll sein, Mischungen aus erfindungsgemäßen ionischen Flüssigkeiten als Lösemittel einzusetzen. Solche Mischungen aus zwei oder mehr IL-Komponenten weisen eine Schmelzpunktdepression auf, was dann besonders von Vorteil ist, wenn eine Anwendung bei möglichst niedrigen Temperaturen beabsichtigt ist.
Die Anwendung der vorangehend beschriebenen Mischungen bzw Lösungen von ionischen Hydriden in einer erfindungsgemäßen ionischen Flüssigkeit wird am Beispiel der Hydrierung von Halogensilanen aufgezeigt. Trimethylchlorsilan lässt sich mittels Lithiumhydrid in erfindungsgemäßen IL's zum Trimethylsilan hydrieren:
Me3SiCI + LiH → Me3SiH + LiCI (1 )
Im Allgemeinen wird wie folgt vorgegangen: in einem Glaskolben mit Stickstoffanschluss wird unter Ausschluß von Luft und Feuchtigkeit, d.h. unter Inertgasatmosphäre, das Lösemittel vorgelegt und die gewünschte Menge LiH zugegeben. Dann wird die Mischung bei Umgebungstemperatur (gilt für flüssige Mischungen) oder erhöhten Temperaturen einige Zeit (wenige Minuten bis ca. 1 Stunde) gerührt, um die Auflösung des Hydrids zu bewirken. Dann wird das Chlorsilan innerhalb von 5 bis 300 min zudosiert. Gasförmige Reaktionsprodukte (z.B. Me3SiH (Sdp. 6,7 0C) werden in einer Trockeneis-Kühlfalle aufgefangen und charakterisiert. Zur Abtrennung und Isolierung höhersiedender Silanprodukte wird die Reaktionsmischung nach Beendigung der Umsetzung erhitzt und das Produkt destillativ von der nicht flüchtigen ionischen Flüssigkeit abgetrennt. Bei sehr hoch siedenden oder temperaturempfindlichen Produkten (H-Silanen) erfolgt die Destillation bevorzugt unter vermindertem Druck. Es ist auch möglich, das
Reaktionsprodukt mit einem sich mit der IL nicht mischbaren Lösungsmittel zu extrahieren.
Die Produkte werden mit den üblichen spektroskopischen Methoden (Multikern-NMR, IR) sowie nassanalytische Methoden (z.B. Gasvolumetrie) charakterisiert.
In der folgenden Tabelle werden die Ergebnisse der Versuche zur Darstellung von Trimethylsilan gem. Gl. (1 ) zusammengefasst (Beispiele 1 bis 6):
* Tributyltetradecylphosphoniumchlorid ** Vergleichsversuch
In erfindungsgemäßen Phosphonium-basierten IL's kann die Umsetzung bereits bei Raumtemperatur erfolgen. Die nicht optimierten Ausbeuten liegen um die 40 %. Dagegen wird in der ebenfalls erfindungsgemäßen höherschmelzenden Ammonium- IL [TBA]Br bei ca. 120 0C eine Produktausbeute von 66 % erzielt. Im Vergleichsversuch mit Toluol als Lösemittel erfolgt keinerlei Umsetzung.
In der folgenden Tabelle werden die Ergebnisse zur Herstellung diverser weiterer H- Silane durch Umsetzung von Halogensilanen mit Lithiumhydrid zusammengefasst (Beispiele 7 bis 14):
* je nach Aufarbeitungsmethode ** Vergleichsversuch
Es wurden Mono- Di- und Tetrachlorsilane als Edukte verwendet. Tributylsilan lässt sich in geschmolzenen Ammonium-IL's bei 70 - 120 0C mit guter bzw. quantitativer Ausbeute herstellen. Auch die Herstellung von Dimethylsilan erfolgt problemlos. Monosilan mit einem Siedepunkt von -112 0C entweicht dem Reaktionsgemisch in gasförmiger Form. Jedoch sind auch teilhydrierte Zwischenprodukte wie SiH3CI oder SiH2CI2 sehr flüchtig und können deshalb ebenfalls dem Reaktionskolben entweichen. Soll das Monosilan in hoher Ausbeute und Reinheit hergestellt werden, ist es nötig, genügend lange Kontaktzeiten zwischen dem Edukt (und den teilhydrierten Zwischenprodukten) und der erfindungsgemäßen LiH-Lösung zu gewährleisten. Dies erfolgt im Laborexperiment am einfachsten dadurch, dass mehrere Reaktionskolben mit erfindungsgemäßer LiH/IL-Lösung hintereinander geschaltet werden. Das SiCI4 wird dann in den ersten Kolben dosiert und der Produktgasstrom durchläuft eine Reihe weiterer Reaktionsgefäße mit erfindungsgemäßer LiH/IL-Lösung. Die unterschiedlichen Ausbeuten in Beispiel 14 gehen auf Experimente mit einer unterschiedlichen Anzahl in Reihe geschalteter Reaktionsgefäße zurück. Die gemäß Beispiel 14 gefundenen Ausbeuten waren in Abhängigkeit von der Anzahl an Reaktionskolben wie folgt: 48 % (2 Kolben); 88 % (3 Kolben); 95 % (5 Kolben).
Eine andere Möglichkeit, eine vollständige Umsetzung zu gewährleisten besteht darin, die Reaktion im geschlossenen Gefäß unter Druck zu fahren und somit das Entweichen nicht vollständig hydrierter Silanspezies zu verhindern.
In ähnlicher Weise können auch andere Hydride von Elementen der 3. und 4. Hauptgruppe, z.B. GeHnHal4-n aus Halogengermanen, H-Borane aus Halogenboranen (R3-P1BHaIn mit n = 1 bis 3, HaI = F, Cl, Br, I) sowie Hydride von Elementen der 5. Hauptgruppe (PH3, AsH3 und SbH3) hergestellt werden. Auch Alkyl- oder Arylhalogenide können zu den korrespondierenden H-Verbindungen (Kohlenwasserstoffen) hydriert werden. Carbonylverbindungen (z.B. Ketone, Carbonsäuren, Carbonsäureester, Carbonsäureamide) können zu Alkoholen etc. reduziert werden.
Weiterhin können die erfindungsgemäßen Mischungen bzw. Lösungen als Wasserstoffspeicher eingesetzt werden. Dazu werden Lösungen von ionischen Metallhydriden in erfindungsgemäßen ionischen Verbindungen mit einem Schmelzpunkt unterhalb von 150 0C auf Temperaturen über den Zersetzungspunkt des gelösten ionischen Metallhydrids oder der Metallhydridmischung, gegebenenfalls in Anwesenheit von weiteren salzartigen Komponenten wie Metallnitriden, besonders bevorzugt Li3N, Na3N, Mg3N2, Ca3N2, Metallamiden, besonders bevorzugt LiNH2, NaNH2, Mg(NH2)2, Ca(NH2)2 oder Metallimiden wie z.B. Li2NH erhitzt, wodurch Wasserstoffentwicklung bewirkt wird. Für den Fall, dass reversible ionische Metallhydride oder Metallhydridmischungen eingesetzt werden, ist es möglich, die dehydrierten Produkte durch Aufpressen von Wasserstoffgas, bevorzugt bei niedrigeren Temperaturen (z. B. 0 - 150 0C), zu regenerieren.
Claims
1. Mischung aus mindestens einer ionischen Flüssigkeit und mindestens einem ionischen und / oder artverwandten Hydrid.
2. Mischung gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die ionische Flüssigkeit der allgemeinen Formel
[ER1R2R3R4] [X] I
entspricht, wobei
R1, R2, R3 und R4 unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe: Alkyl, Aryl, gegebenenfalls substituiert mit einem oder mehreren Alkoxy- (-OR5) oder Amino (-NR6R7) - Resten und wobei R5, R6, R7 beliebige Alkyl- oder Arylreste sein können, wobei jeweils zwei Alkylreste R1, R2 unter Einschluss von E zusammen einen fünf- oder sechsgliedrigen Ring bilden können, so dass folgende genehsche Formel resultiert: R1R2E(CYm)n mit m = 1 oder 2, n = 4 oder 5 und Y = H, Alkyl oder Aryl. R1R2E(CYm)n ist bevorzugt Dialkylpiperidinium, Dialkylpyrrolidinium oder Alkylpyridinium (in diesem Fall entfällt R2) und
E ausgewählt ist aus der Gruppe N, P, As, Sb und
X ein Anion darstellt aus der Gruppe Halogenid (F", Cl", Br", I"), Sulfat (SO4 2"), Tetrafluoroborat (BF4 "), Hexafluorophosphat (PF6 "), Hexafluoroarsenat (AsF6 "), Fluorsulfonat (FSO3 "), Alkylsulfat (R8OSO3 "), Alkoxyalkylsulfat (R8(OCH2CH2)nOSO3 ", n = 1 bis 10), Arylsulfat (ArOSO3 "), Alkylsulfonat (R8SO3 " ), Arylsulfonat (ArSO3 "), Bis(alkylsulfonyl)imid ((R8SO2J2N"), Bis(arylsulfonyl)imid ((ArSO2J2N"), Aryl-alkylsulfonylimid ((ArSO2)(R8SO2)N"),
Tris(alkylsulfonyl)methid ((R8SO2)3C"), Phosphat (PO3 3"), Carboxylat (R8COO"), wobei die Alkylreste R8 bzw. die Arylreste Ar vorzugsweise auch ganz oder teilweise fluoriert sein können, besonders bevorzugt ist R8 ausgewählt aus CF3, C2F5, C3F7 oder C4F9 und Ar gleichbedeutend mit C6F5 oder X ausgewählt ist aus der Gruppe der Bischelatoborate I sowie der Difluorochelatoborate Il
wobei
L ein Chelatbildner mit zwei endständigen Sauerstoffatomen mit der allgemeinen Formel
ist und wobei gilt:
Y1 und Y2 bedeuten zusammen = O, mit m = 0 oder 1 , n = 0 oder 1 und R9 und R10 unabhängig voneinander H, F, Cl, Br, OR (R = Alkyl) oder R' (Alkyl) oder
Y1, Y2, Y3, Y4 bedeuten jeweils unabhängig voneinander OR (R = Alkyl), R' (Alkyl), H, F, Cl, Br, mit m = O oder 1 , n = O oder 1 , oder
Y1' C1, Y3 und C2 sind Glieder eines 5- oder 6-gliedrigen aromatischen oder heteroaromatischen Ringes (mit N, O oder S als Heteroelement), wobei der heteroaromatische Ring gegebenenfalls mit Alkyl, Alkoxy, Carboxy oder Nitril substituiert sein kann, wobei Y2 und Y4 entfallen, mit n = O und m = O oder 1.
3. Mischung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ionische Flüssigkeit unterhalb 2000C, vorzugsweise unterhalb 1500C schmilzt.
4. Mischung gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die ionischen und artverwandten Hydride ausgewählt sind aus binären ionischen oder nicht flüchtigen kovalenten Hydriden der 1. bis 3. Hauptgruppe sowie der 2. Nebengruppe des Periodensystems, beispielsweise LiH, NaH, KH, RbH, CsH, MgH2, CaH2, SrH2, BaH2, AIH3, ZnH2, aus komplexen ionischen Hydriden der Formel M[EH4Jn (M = Alkali- oder Erdalkalimetall; n = 1 für M = Alkalimetall und n = 2 für M = Erdalkalimetall, E = B, AI, Ga, In), beispielsweise Metallborhydride, bevorzugt Alkali- und Erdalkalimetallborhydride, besonders bevorzugt LiBH4, NaBH4, KBH4, Mg(BH4)2, Ca(BH4)2, sowie Aluminiumhydride, bevorzugt Alkali- und Erdalkalialuminiumhydride, besonders bevorzugt LiAIH4, NaAIH4, KAIH4, Li3AIH6, Li2NaAIH6, Mg(AIH4)2, Ca(AIH4)2, Ba(AIH4)2 oder dass die ionischen Hydride ausgewählt sind aus Alkyl-, Alkoxy- oder Dialkylamidoderivaten der allgemeinen Formel M[EHZZ4-Z]n, mit Z = R, OR oder NR2, R = Alkyl oder Aryl und z = 1 bis 4, beispielsweise Lithiumth(tert-butoxy)aluminiumhydrid oder Kaliumtriethylborhydrid.
5. Mischung gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die ionischen artverwandten Hydride ausgewählt sind aus beliebigen Mischungen dieser Hydride gemäß Anspruch 4, sowie aus Abmischungen mit weiteren salzartigen Komponenten wie Metallnitriden, besonders bevorzugt Li3N, Na3N, Mg3N2, Ca3N2, Metallamiden, besonders bevorzugt LiNH2, NaNH2, Mg(NH2)2, Ca(NH2)2 sowie Metallimiden, z.B. Li2NH.
6. Verwendung einer Mischung gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5 als Hydrier- oder Reduktionsmittel in der organischen oder metallorganischen Synthese.
7. Verwendung einer Mischung gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5 zur Herstellung von Hydriden der Elemente der 3. und 4. Hauptgruppe des Periodensystems, beispielsweise zur Herstellung von GeHnHal4-n aus Halogengermanen, H-Boranen aus Halogenboranen sowie zur Herstellung von Hydriden der Elemente der 5. Hauptgruppe des Periodensystems, beispielsweise zur Herstellung von PH3, AsH3 und SbH3.
8. Verwendung einer Mischung gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5 zur Hydrierung von Alkyl- oder Arylhalogeniden zu den korrespondierenden H-Verbindungen (Kohlenwasserstoffen).
9. Verwendung einer Mischung gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5 zur Hydrierung von Carbonylverbindungen, beispielsweise Ketone, Carbonsäuren, Carbonsäureester, Carbonsäureamide.
10. Verwendung einer Mischung gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5 zur Hydrierung von Carbonylverbindungen, beispielsweise Ketone, Carbonsäuren, Carbonsäureester, Carbonsäureamide zu Alkoholen.
11.Verwendung einer Mischung gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5 zur Herstellung von H-Silanen, besonders bevorzugt zur Herstellung von Monosilan.
12. Verwendung einer Mischung gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5 als Wasserstoffspeicher.
13. Verwendung einer Mischung gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5 zur Freisetzung von Wasserstoffgas, wobei die Mischung erhitzt wird.
14. Verwendung einer Mischung gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5 zum Rehydheren der durch Wasserstoffgasfreisetzung entstandenen Produkte, wobei Wasserstoffgas aufgepresst wird.
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