Production of ionic liquids through metathesis and melt crystallization

Herstellung ionischer Flüssigkeiten durch Metathese und Schmelzkristallisation

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus-12970
  • Ionic liquids (ILs) are a very important class of innovative compounds consisting entirely of ions and which are normally liquid at or near room temperature. They are currently becoming an important segment in the chemical research an industry due to their interesting properties, such as, among others, their ability to be applied as practically non-volatile solvents. A wide variety of anion-cation combinations of ILs can be theoretically produced, with a specific application in each case, as solvents in (bio)-catalysis or as electrolytes among other current and potential uses. A reaction process of direct synthesis is essentially the way through which the first series of ILs have been andIonic liquids (ILs) are a very important class of innovative compounds consisting entirely of ions and which are normally liquid at or near room temperature. They are currently becoming an important segment in the chemical research an industry due to their interesting properties, such as, among others, their ability to be applied as practically non-volatile solvents. A wide variety of anion-cation combinations of ILs can be theoretically produced, with a specific application in each case, as solvents in (bio)-catalysis or as electrolytes among other current and potential uses. A reaction process of direct synthesis is essentially the way through which the first series of ILs have been and are still produced nowadays. This basically involves first the quaternization of molecules that can easily complex to various metal ions (as organometallic agents), like amine, phosphine or heterocyclic nitrogen rings, with the corresponding cation as the intermediary product, which ultimately reacts with an alkylation agent forming the IL. A number of important ILs has thus been generated from established firms in the chemical industry. For the production of further specifically tailored and highly valuable ILs, however, direct synthesis alone may not always be enough, since not all the anion - cation combinations needed for each particular application can actually be obtained at a high yield and/or at a low cost through this method. There exists, though, a complementary path for generating ILs, and it is based on the ion exchange principle; highly valuable ILs can potentially be produced by this reaction path known as metathesis, a classic type of reaction that basically implies the exchange of ions from two educts being put into contact. This concept, as applied in the presented work, implies the use of a readily available, low-cost educts, with a low-value ‘precursor’ IL itself being one of these educts. This process, when coupled with a final separation or concentration enrichment of the resulting IL by means of distillation and fractional (melt) crystallization, represents an interesting and potentially feasible alternative for obtaining concentrated or high-purity tailored compounds of this kind. Metathesis here can be accomplished by several approaches; each one of them was studied in detail in this work. A first approach in the metathesis reaction was the generation of a reciprocal salt pair system through the mixture of two educts; this led to the formation of a ternary or quaternary system, from where the desired product can be obtained in high purity degree by final crystallization. A second approach in this work was the Donnan dialysis of the educts through a membrane system. The advantage of this method lies in the gradient being the only real driving force for the reaction as well as the feasibility of performing it at mild temperature conditions. A third approach was by means of electrodialysis. Here, the driving force for ion exchange is based on the electrical potential. Finally, a fourth approach was the ion exchange through a column. Through these different approaches, all of them based on the principle of metathesis, it was technically possible to obtain tailored ILs in the form of salts or as hydroxides, by anion substitution. Moreover, provided there is a feasible production of ILs by means of anion substitution, the potential application of the ion exchange principle to tailor even more IL salts by means of cation substitution will then also be a strong issue.show moreshow less
  • Ionische Flüssigkeiten (ionic liquids = ILs) sind eine neuartige Klasse von Substanzen mit erheblichem technischem Potential. Per Definition haben ILs eine niedrige Schmelztemperatur von Tm < 100 °C; die sogenannten „room temperature ionic liquids“ (RTILs) sind bei Raumtemperatur flüssig. Zu ihren charakteristischen Eigenschaften gehören u. a. ihre Fähigkeit, als selektive Lösungsmittel für katalytische und elektrokatalytische Reaktionen zu wirken sowie ihr sehr geringer Dampfdruck und ihr Lösepotential für ionische und polare Substanzen. Aus der Kombinationsmöglichkeit von bekannten Anionen und Kationen resultiert eine Vielzahl neuer interessanter ionischer Flüssigkeiten. DieIonische Flüssigkeiten (ionic liquids = ILs) sind eine neuartige Klasse von Substanzen mit erheblichem technischem Potential. Per Definition haben ILs eine niedrige Schmelztemperatur von Tm < 100 °C; die sogenannten „room temperature ionic liquids“ (RTILs) sind bei Raumtemperatur flüssig. Zu ihren charakteristischen Eigenschaften gehören u. a. ihre Fähigkeit, als selektive Lösungsmittel für katalytische und elektrokatalytische Reaktionen zu wirken sowie ihr sehr geringer Dampfdruck und ihr Lösepotential für ionische und polare Substanzen. Aus der Kombinationsmöglichkeit von bekannten Anionen und Kationen resultiert eine Vielzahl neuer interessanter ionischer Flüssigkeiten. Die Direkt-Synthese ist der bislang präferierte Reaktionspfad für die Herstellung von ILs. Dabei wird zuerst ein Kation durch Quaternisierung von Molekülen aus den Gruppen der Amine, Phosphane oder der Gruppe mit heterozyklischen N-Ringen, darunter auch Imidazolium und Pyridinium, gebildet. Dieses Kation bildet dann Salze mit unterschiedlichen Anionen. Für die Herstellung von einigen maßgeschneiderten ILs reicht der Direkt-Synthese-Pfad nicht aus, denn nicht alle potentiellen Anion-Kation-Kombinationen können mit hohem Umsatz oder niedrigen Kosten durch die Direkt-Synthese hergestellt werden. Neben der Direkt-Synthese existiert eine weitere komplementäre Variante zur Herstellung von ILs. Sie beruht auf dem Prinzip des Ionenaustausches. ILs können durch Metathese-Reaktion gebildet werden. Durch die Kopplung dieses Verfahrensprinzips mit weiteren thermischen Verfahrensschritten wie Eindampfung und Kristallisation existiert eine ergänzende Alternative für die Herstellung von maßgeschneiderten ILs. In der vorliegenden Arbeit wurden ILs nach dem Metathese-Prinzip in hoher Reinheit hergestellt. Dazu wurden vier Varianten des Metathese-Prinzips untersucht: Reziproke Umsetzung, Donnan-Dialyse, Elektrodialyse und Ionenaustausch an Ionenaustauscherharzen. Alle die Verfahrensprinzipien wurden bezüglich des Stoffüberganges mittels aktueller Theorien zur Metathese-Reaktion, zum Stofftransport und zur Thermodynamik der Phasenbildung quantifiziert. Eine letztendlich vergleichende Analyse der verwendeten Metathese-Verfahren zeigt die deutliche Effizienz des Ionenaustauschs an Ionenaustauscherharzen für die Herstellung von ILs bezüglich der Herstellungskosten. Die Membranverfahren zeichnen sich durch eine hohe Flexibilität in Bezug auf die zu produzierende IL-Menge und des zeitlich begrenzten Einsatzes aus. Mit allen in dieser Arbeit untersuchten Verfahren wurde es möglich, maßgeschneiderte ILs durch Anion-Substitution herzustellen. Durch die untersuchten Verfahrenskonzepte kann in Analogie zum Anionenaustausch auch der Kationenaustausch durchgeführt werden. Dieses Projekt hat dazu beigetragen, weitere bislang noch nicht genutzte ILs kostengünstig herzustellen und somit einer industriellen Anwendung zugänglich zu machen.show moreshow less

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Metadaten
Author:Jorge Luis Wong Dávila
Persistent identifiers - URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus-12970
Advisor:Axel König
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of publication:2009
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Acceptance date of the thesis:2009/03/31
Release Date:2009/04/20
Tag:Donnandialyse; Ionische Flüssigkeit; Krystallisation; Membran; Metathese
Donnan dialysis; crystallization; ionic liquid; membrane; metathesis
SWD-Keyword:Permselektive Membran; Donnan-Potenzial; Metathese <Chemie>; Ionische Flüssigkeit; Fraktionierte Kristallisation
Institutes:Technische Fakultät / Technische Fakultät -ohne weitere Spezifikation-
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 62 Ingenieurwissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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