DE102008011840A1 - Microporous hydrophobic polyorganosilane, method of preparation and use - Google Patents
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Abstract
Ein hochvernetztes, poröses Polymer, welches Siliziumatome enthält, die durch jeweils vier organische Linkermoleküle L kovalent miteinander verbunden sind, wobei L ein substituierter oder unsubstituierter cyclischer Alkylrest oder ein substituierter oder unsubstituierter Arylrest mit 5 bis 50 C-Atomen ist, mit einem Mikroporenvolumen von 0,2 bis 1,5 cm3g–1.A highly crosslinked, porous polymer containing silicon atoms covalently linked together by four organic linker molecules L each, wherein L is a substituted or unsubstituted cyclic alkyl radical or a substituted or unsubstituted aryl radical of 5 to 50 carbon atoms, with a micropore volume of 0 , 2 to 1.5 cm 3 g -1 .
Description
Die Erfindung betrifft ein mikropöroses hydrophobes Polyorganosilan, ein Verfahren zu dessen Herstellung und dessen Verwendung. Die Erfindung eignet sich insbesondere zur Anwendung in der Gasspeicherung, Luftreinigung, Kraftstoffrückgewinnung, Geruchsminimierung.The Invention relates to a micro-porous hydrophobic polyorganosilane, a process for its preparation and its use. The invention is particularly suitable for use in gas storage, air purification, Fuel recovery, odor minimization.
Der Bereich der mikroporösen Materialien ist sehr umfangreich. Seit langer Zeit sind Aktivkohlen bekannt, die vielfältige Anwendungsmöglichkeiten, vor allem als Adsorbentien in den Bereichen Chemie, Medizin, Wasser- und Abwasserbehandlung, etc. bieten.Of the Range of microporous materials is very extensive. For a long time activated carbons are known, the diverse Uses, especially as adsorbents in in the fields of chemistry, medicine, water and wastewater treatment, etc. Offer.
Eine weitere sehr große und seit langer Zeit bekannte Klasse sind die Zeolithe, kristalline Alumosilikate mit Mikroporen und großer struktureller Vielfalt. Zeolithe werden kommerziell als Molekularsiebe zur Gastrennung und als Festkörper-Katalysatoren in der heterogenen Katalyse genutzt.A another very large and long-known class are the zeolites, crystalline aluminosilicates with micropores and great structural diversity. Zeolites become commercial as molecular sieves for gas separation and as solid state catalysts used in heterogeneous catalysis.
In
den letzten Jahrzehnten gab es einen regelrechten Aufschwung auf
dem Gebiet der porösen Materialien, da eine ganze Reihe
neuer Materialklassen entdeckt wurde. 1998 veröffentlichten
Eddaoudi et al. die erste poröse metallorganische Koordinationsverbindung
(engl.:
2005
veröffentlichten Cote et al. die ersten porösen,
kovalenten organischen Netzwerkverbindungen (engl.:
Eine
sehr neue Klasse von mikroporösen Verbindungen sind die
sog. PIMs (Polymers of Intrinsic Microporosity). Diese weisen interessante
Eigenschaften, wie etwa die geringe intrinsische Dichte auf. Sie
sind nur aus leichten Elementen wie C, H, O und N aufgebaut, was
ein großer Vorteil gegenüber den metallatomhaltigen
MOFs ist. Sie sind chemisch homogen, was sie den Aktivkohlen überlegen
macht, besitzen eine hohe thermische und chemische Stabilität
und sind synthetisch reproduzierbar. Diese Eigenschaften machen
die PIMs zu attraktiven Materialien für die Gasspeicherung
von z. B. Wasserstoff. Trip-PIM (BET-Oberfläche: 1064 m2g–1) adsorbiert
bei einem Druck von 1 bar und einer Temperatur von 77 K 1,65 Gew.-%
und bei 10 bar und 77 K 2,71 Gew.-% Wasserstoff (
Der
aktuelle Stand der Technik der mikroporösen Polymere wird
von C. Weder in einem aktuellen Übersichtsartikel zusammengefasst
(
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist es ein neues poröses Material anzugeben, welches sich insbesondere als Adsorptionsmaterial eignet. Weiter soll das Material eine hohe thermische und chemische Stabilität, eine gute Gasspeicherkapazität und eine geringere spezifische Dichte aufweisen.The The object underlying the present invention is a specify new porous material, which in particular as adsorption material. Next, the material should have a high thermal and chemical stability, good gas storage capacity and have a lower specific gravity.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein vernetztes, poröses Polymer, welches Siliziumatome enthält, die durch jeweils vier organische Linkermoleküle L kovalent miteinander verbunden sind, wobei L ein substituierter oder unsubstituierter cyclischer Alkylrest mit 5 bis 50 C-Atomen oder ein substituierter oder unsubstituierter Arylrest mit 5 bis 50 C-Atomen ist wobei der Arylrest bevorzugt mindestens eine Phenylgruppe enthält.The The object is achieved by a crosslinked, porous polymer containing silicon atoms contains, in each case by four organic linker molecules L are covalently linked, where L is a substituted or unsubstituted cyclic alkyl radical having 5 to 50 carbon atoms or a substituted or unsubstituted aryl radical having 5 to 50 C atoms, wherein the aryl radical preferably contains at least one phenyl group.
Das erfindungsgemäße Polymer enthält damit Struktureinheiten gemäß der allgemeinen Formel 1: The polymer according to the invention thus contains structural units according to the general formula 1:
Die Linkermoleküle L sind bevorzugt mit n-1 weiteren Siliciumatomen oder gegebenenfalls auch Heteroatomen wie z. B. Bor, Stickstoff, Phosphor verbunden. n ist dabei eine ganze Zahl von 2 bis 6, bevorzugt 2, 3 oder 4.The Linker molecules L are preferred with n-1 other silicon atoms or optionally also heteroatoms such. Boron, nitrogen, Phosphorus connected. n is an integer from 2 to 6, preferably 2, 3 or 4.
Die Linkermoleküle L haben daher n (mindestens 2) Bindungsstellen, welche die kovalente Verknüpfung mit Siliciumatomen und gegebenenfalls auch den oben genannten Heteroatomen erlaubt.The Linker molecules L therefore have n (at least 2) binding sites, which is the covalent linkage with silicon atoms and optionally also the above-mentioned heteroatoms allowed.
Das erfindungsgemäße Polymer enthält dadurch für n = 2 bevorzugt Struktureinheiten gemäß der allgemeinen Formel 2 und/oder Formel 3: The polymer according to the invention thus contains, for n = 2, preferably structural units according to the general formula 2 and / or formula 3:
In den beiden Formeln stehen die Sternchen * jeweils für die Verknüpfung mit weiteren Struktureinheiten, die L, Si und gegebenenfalls Heteroatome, wie z. B. Bor, Stickstoff, Phosphor enthalten.In The asterisks * stand for the two formulas Linkage with further structural units, the L, Si and optionally heteroatoms, such as. As boron, nitrogen, phosphorus contain.
Bevorzugt sind in diesen weiteren Struktureinheiten die Siliciumatome jeweils wieder mit 4 organischen Linker L verbunden. Die gegebenenfalls vorhandenen Bor-, Stickstoff- oder Phosphoratome sind entsprechend mit 3 organischen Linker L verbunden. Bevorzugt mindestens 60%, bevorzugt 80%, besonders bevorzugt über 95% oder sogar 100% der im erfindungsgemäßen Polymer enthaltenen Siliciumatome sind mit jeweils vier organischen Linkermoleküle L kovalent verbunden. Bevorzugt sind mindestens 60%, bevorzugt 80%, besonders bevorzugt über 95% oder sogar 100% der im erfindungsgemäßen Polymer enthaltenen Linkermoleküle L mit mindestens 2 Siliciumatomen kovalent verbunden.Prefers In these further structural units, the silicon atoms are in each case again with 4 organic linker L connected. The optionally existing boron, nitrogen or phosphorus atoms are corresponding connected with 3 organic linker L. Preferably at least 60%, preferably 80%, more preferably over 95% or even 100% of the polymer contained in the invention Silicon atoms are each with four organic linker molecules L covalently bonded. Preferably at least 60%, preferably 80%, more preferably over 95% or even 100% of that in the invention Polymer contained linker molecules L with at least 2 silicon atoms covalently linked.
Allerdings können im erfindungsgemäßen Polymer bedingt durch den Syntheseweg vereinzelt Hydroxygruppen sowie aliphatische und aromatische Reste vorliegen, die keine verknüpfende Funktion aufweisen, vorliegen. Dadurch entstehen z. B. Struktureinheiten, wie in Formel 4 anhand des bevorzugten erfindungsgemäßen Polymers Poly(1,4-phenylen)silan (L = Phenylen) veranschaulicht wird: Formel 4: Schema möglicher nichtverknüpfenden Gruppen in Poly(1,4-phenylen)silan However, in the polymer according to the invention occasionally hydroxyl groups as well as aliphatic and aromatic radicals which have no linking function can be present as a result of the synthesis route. This creates z. Structural units, as illustrated in formula 4 by the preferred polymer according to the invention poly (1,4-phenylene) silane (L = phenylene): Formula 4: Scheme of possible non-linking groups in poly (1,4-phenylene) silane
Im erfindungsgemäßen Polymer sind bevorzugt maximal 30%, besonders bevorzugt maximal 10% der Siliziumatome derart mit Sauerstoff oder aliphatischen Gruppen (wie z. B. Butyl) kovalent verbunden. Aufgrund der Herstellungsmethode enthält das Polymer bevorzugt keine oder so gut wie keine Si-Si-Bindungen. Der Si-Si-Bindungsanteil ist bevorzugt 0% bis 5%, bevorzugt unter 1%. Aufgrund der Herstellungsmethode enthält das Polymer bevorzugt keine oder so gut wie keine Si-H-Bindungen. Der Si-H-Bindungsanteil ist bevorzugt 0% bis 5%, bevorzugt unter 1%.in the Polymer of the invention are preferably maximum 30%, more preferably at most 10% of the silicon atoms in such a way Oxygen or aliphatic groups (such as butyl) covalently connected. Due to the manufacturing method contains the Polymer prefers no or virtually no Si-Si bonds. The Si-Si bond fraction is preferably 0% to 5%, preferably less than 1%. Due to the manufacturing method The polymer preferably contains no or almost none Si-H bonds. The Si-H bond fraction is preferably 0% to 5%, preferably less than 1%.
Der Anteil an Silicium hegt bevorzugt bei 2,5 bis 25%, besonders bevorzugt über 5% und weiter bevorzugt unter 20%. Der Anteil an Kohlenstoff liegt bevorzugt zwischen 60 Gew.-% und 95 Gew.-%, besonders bevorzugt über 65 Gew.-% und weiter bevorzugt unter 85 Gew.-%.Of the Proportion of silicon is preferably from 2.5 to 25%, more preferably over 5% and more preferably less than 20%. The proportion of carbon is preferably between 60% by weight and 95% by weight, more preferably above 65 wt .-% and more preferably below 85 wt .-%.
Der Anteil an Wasserstoff liegt bevorzugt zwischen 2 Gew.-% und 10 Gew., besonders bevorzugt über 4 Gew.-% und weiter bevorzugt unter 6 Gew.-%. Diese Anteile sind dabei insbesondere abhängig von der Größe der Linker L.Of the Proportion of hydrogen is preferably between 2 wt .-% and 10 wt., more preferably above 4% by weight and more preferably below 6% by weight. These shares are dependent in particular the size of the linker L.
In den erfindungsgemäßen Polymer können gegebenenfalls (neben C, Si, O und H) weitere Atome, insbesondere Bor, Stickstoff Germanium und Phosphor enthalten sein. Der Anteil weiterer Atome liegt bevorzugt zwischen 0% und 50 Gew.-%, besonders bevorzugt über 0 Gew.-% und weiter bevorzugt unter 10 Gew.-%.In the polymer according to the invention can optionally (in addition to C, Si, O and H) further atoms, in particular Boron, nitrogen germanium and phosphorus may be included. The amount further atoms is preferably between 0% and 50% by weight, especially preferably above 0% by weight and more preferably below 10% by weight.
Die Siliziumatome sind idealer weise jeweils von vier Linker L tetraedrisch umgeben (ähnlich einer Diamantsstruktur).The Silicon atoms are ideally tetrahedral each of four linkers L. surrounded (similar to a diamond structure).
Durch Vergrößerung der organischen Linker wird der Abstand zwischen den Silziumatomen und damit auch die Porengröße des erfindungsgemäßen Polymers vergrößert.By Enlargement of the organic linker becomes the distance between the silicon atoms and thus also the pore size of the polymer according to the invention increases.
Durch die Auswahl und Kombination der in Formel 1 bis 3 aufgeführten zentralen Struktureinheiten und der organischen Linker L lassen sich somit ähnlich, wie bei den Eingangs erwähnten MOFs und COFs nach dem „modularen Prinzip" unterschiedliche Strukturen zusammensetzen.By the selection and combination of those listed in formulas 1 to 3 central structural units and the organic linker L leave thus similar, as mentioned at the beginning MOFs and COFs are different according to the "modular principle" Put together structures.
Die Linker L sind bevorzugt substituierte oder unsubstituierte cyclische Alkylreste mit 5 bis 24 C-Atomen oder substituierte oder unsubstituierte Arylrest mit 6 bis 24 C-Atomen, wobei der Arylrest bevorzugt mindestens eine substituierte oder unsubstituierte Phenylgruppe enthält, die auch Teil eines größeren Ringssystems sein kann Bevorzugt ist L ausgewählt aus substituierten oder unsubstituierten Arylresten, die 1 bis 8 aromatische oder hereteroaromatische Ringe enthalten.The Linker L are preferably substituted or unsubstituted cyclic Alkyl radicals having 5 to 24 carbon atoms or substituted or unsubstituted Aryl radical having 6 to 24 carbon atoms, wherein the aryl radical is preferably at least contains a substituted or unsubstituted phenyl group, which also be part of a larger ring system L is preferably selected from substituted or unsubstituted aryl radicals containing 1 to 8 aromatic or heteroaromatic Contain rings.
Die Linkermoleküle L haben n (mindestens 2) Bindungsstellen, welche die kovalente Verknüpfung mit Siliciumatomen und gegebenenfalls auch den oben genannten Heteroatomen erlaubt.The Linker molecules L have n (at least 2) binding sites, which is the covalent linkage with silicon atoms and optionally also the above-mentioned heteroatoms allowed.
Bevorzugt sind organische Linker L, die 2 Bindungsstellen für Si (oder auch die oben genannten Heteroatome, wie z. B. Bor) aufweisen ausgewählt aus: wobei X jeweils unabhängig voneinander ausgewählt ist aus Wasserstoff, Halogen, substituiertem oder unsubstituiertem Alkyl, Alkenyl, Alkinyl, Alkoxy mit bevorzugt bis zu 4 C-Atomen, besonders bevorzugt 1, 2 oder 3 C-Atomen. Bevorzuge Bindungsstellen für Si (oder auch B) sind jeweils durch die senkrechten Striche angedeutet. Einzelne Positionen, die mit X markiert sind, können auch weitere oder alternative Bindungsstellen für Si (oder auch B) darstellen.Preference is given to organic linkers L which have 2 bonding sites for Si (or also the abovementioned heteroatoms, such as, for example, boron) selected from: wherein each X is independently selected from hydrogen, halogen, substituted or unsubstituted alkyl, alkenyl, alkynyl, alkoxy having preferably up to 4 C-atoms, more preferably 1, 2 or 3 C-atoms. Preferred binding sites for Si (or B) are indicated by the vertical bars. Individual positions marked X may also represent additional or alternative binding sites for Si (or B).
Bevorzugt sind organische Linker L. die 3 Bindungsstellen für Si (oder auch Heteroatome, wie B aufweisen) ausgewählt aus: wobei X wie oben ausgewählt ist. Bevorzugte Bindungsstellen für Si (oder auch B) sind wieder durch die senkrechten Striche angedeutet. Einzelne Positionen die mit X markiert sind können auch weitere oder alternative Bindungsstellen für Si (oder auch B) darstellen.Preference is given to organic linkers L. which have 3 bonding sites for Si (or else heteroatoms such as B) selected from: where X is selected as above. Preferred binding sites for Si (or B) are again indicated by the vertical bars. Individual positions marked X may also represent additional or alternative binding sites for Si (or B).
Bevorzugt sind organische Linker L, die 4 Bindungsstellen für Si (oder auch Heteroatome, wie B aufweisen) ausgewählt aus: wobei X wie oben ausgewählt ist. Bevorzugte Bindungsstellen für Si (oder auch B) sind wieder durch die senkrechten Striche angedeutet. Einzelne Positionen die mit X markiert sind können auch weitere oder alternative Bindungsstellen für Si (oder auch B) darstellen.Preference is given to organic linkers L which have 4 bonding sites for Si (or else heteroatoms such as B) selected from: where X is selected as above. Preferred binding sites for Si (or B) are again indicated by the vertical bars. Individual positions marked X may also represent additional or alternative binding sites for Si (or B).
Weiter bevorzugte Linker L sind heteroaromatische Verbindungen, die den oben genannten entsprechen, in denen jedoch in mindestens einem Ring 1-4 Kohlenstoffatome durch N ersetzt sind, wie z. B.: Further preferred linkers L are heteroaromatic compounds which correspond to those mentioned above, in which, however, in at least one ring 1-4 carbon atoms are replaced by N, such as. B .:
Das erfindungsgemäße Polymer hat eine hohe Porosität und ist prinzipiell mikroporös (bevorzugt d < 2 nm). Es weist aufgrund sehr kleiner Partikel bzw. durch das Vorhandensein von Makroporen auch eine relativ große externe Oberfläche auf. Außerdem zeigt das Polymer eine Hysterese über den gesamten Druckbereich, die auf ein Quellverhalten hindeutet.The Polymer according to the invention has a high porosity and is in principle microporous (preferably d <2 nm). It points due to very small particles or by the presence of Macropores also have a relatively large external surface on. In addition, the polymer exhibits hysteresis the entire pressure range, which indicates a swelling behavior.
Das erfindungsgemäße Polymer hat bevorzugt eine spezifische Oberfläche (BET) von über 500 m2g–1 und bevorzugt bis zu 3000 m2g–1, besonders bevorzugt von 700 bis 2000 m2g–1, weiter bevorzugt über 750 m2g–1.The polymer according to the invention preferably has a specific surface area (BET) of more than 500 m 2 g -1 and preferably up to 3000 m 2 g -1 , more preferably from 700 to 2000 m 2 g -1 , more preferably more than 750 m 2 g . 1 .
Die durchschnittliche Porengröße des erfindungsgemäßen Polymers ist bevorzugt kleiner 2 nm und bevorzugt größer 0,1 nm, besonders bevorzugt von 0,5 bis 1,5 mn.The average pore size of the invention Polymer is preferably less than 2 nm and preferably larger 0.1 nm, more preferably from 0.5 to 1.5 nm.
Das erfindungsgemäße Polymer hat bevorzugt ein Mikroporenvolumen von 0,2 bis 1,5 cm3g–1, besonders bevorzugt über 0,3 cm3g–1 und weiter bevorzug unter 1,0 cm3g–1.The polymer according to the invention preferably has a micropore volume of 0.2 to 1.5 cm 3 g -1 , particularly preferably more than 0.3 cm 3 g -1 and more preferably less than 1.0 cm 3 g -1 .
Das erfindungsgemäße Polymer ist weiter vorteilhaft luft- und wasserstabil und chemisch stabil. Darüber hinaus zeigt es eine hohe thermische Stabilität bis ca. 350°C.The Polymer of the invention is further advantageous stable against air and water and chemically stable. Furthermore It shows a high thermal stability up to 350 ° C.
Das erfindungsgemäße Polymer ist bevorzugt amorph, stark hydrophob (vergleichbar der Hydrophobizität von Aktivkohlen).The polymer according to the invention is preferably amorphous, highly hydrophobic (comparable to the hydrophobicity of activated carbons).
Die Hydrophobizität lassen sich jedoch, wenn gewünscht durch das Anbinden von polaren Substituenten (z. B. -OH, -NH,) an den Alkyl- oder Arylresten reduzieren. Die Wasserdampfphysisorption ist im Bereich kleinen Relativdrucks (bis 0,5) sehr gering (bevorzugt unter 200 cm3g–1), so dass kaure Adsorption stattfindet. Auch bei hohen Drücken liegt die Wasserdampfphysisorption bevorzugt unter 500 cm3g–1. Diese Werte sind auch abhängig von der Porengröße und der spezifischen Oberfläche.However, if desired, the hydrophobicity can be reduced by the attachment of polar substituents (eg, -OH, -NH,) to the alkyl or aryl radicals. The water vapor physisorption is very low in the range of small relative pressure (up to 0.5) (preferably below 200 cm 3 g -1 ), so that acidic adsorption takes place. Even at high pressures, the water vapor physisorption is preferably below 500 cm 3 g -1 . These values are also dependent on the pore size and specific surface area.
Dieses Verhalten ist bei Poly(4,4'-biphenylen)silan sogar noch stärker ausgeprägt. Eine deutliche Adsorption von Wasser beginnt erst ab einem Relativdruck von ca. 0,6 und entspricht damit ungefähr dem Verhalten der meisten Aktivkohlen.This Behavior is even greater with poly (4,4'-biphenylene) silane pronounced. A significant adsorption of water begins only from a relative pressure of approx. 0.6 and thus corresponds approximately the behavior of most activated carbons.
Das erfindungsgemäße Polymer hat vorteilhaft eine gute und vor allem reversible Speicherkapazität für Gase, insbesondere Methan und Wasserstoff. Die Wasserstoffspeicherkapazitäten des erfindungsgemäßen Polymers beträgt bevorzugt mindestens 1 Gew.-% Wasserstoff bei 1 bar, mit steigender Tendenz bei steigendem Druck. Die Methanspeicherkapazitäten erreicht bevorzugt bei Drücken von 50 bar bis 100 bar Werte von mindestens 4 Gew.-%..The The polymer according to the invention advantageously has a good and above all reversible storage capacity for Gases, in particular methane and hydrogen. The hydrogen storage capacities of the polymer according to the invention preferably at least 1 wt .-% hydrogen at 1 bar, with increasing Tendency with increasing pressure. The methane storage capacities preferably reaches values of from 50 bar to 100 bar at least 4% by weight ..
Insgesamt sind die Eigenschaften des erfindungsgemäßen Polymers vergleichbar mit den Eigenschaften von Aktivkohle. Das erfindungsgemäße Polymer ist jedoch vorteilhaft farblos bzw. weiß und hat vorteilhaft eine eindeutig definierte chemische Zusammensetzung.All in all are the properties of the polymer according to the invention comparable to the properties of activated carbon. The invention However, polymer is advantageously colorless or white and has advantageously a clearly defined chemical composition.
Insbesondere durch die Größe und die chemischen Eigenschaften des Linkers L lassen sich vorteilhaft wichtige Eigenschaften, wie Porosität, Hydrophobizität und Gasspeicherungskapazität einstellen. Die optimale Synthesetemperatur liegt um –10°C, bevorzugt zwischen 0°C und –20°C. Bei tieferen Temperaturen waren die spez. Oberflächen geringer.Especially by the size and the chemical properties of the linker L can be advantageous important properties, such as Porosity, hydrophobicity and gas storage capacity to adjust. The optimum synthesis temperature is around -10 ° C, preferably between 0 ° C and -20 ° C. at lower temperatures were the spec. Surfaces lower.
Vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Polymer sehr leicht (geringe Dichte), chemisch und thermische stabil, nicht hydrolyseempfindlich und untoxisch. Damit unterscheidet es sich gegenüber vielen gegenüber vielen COFs und MOFs.Advantageous the polymer of the invention is very light (low Density), chemically and thermally stable, not susceptible to hydrolysis and nontoxic. This is different from many compared to many COFs and MOFs.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Polymers, durch Umsetzen
- (i) einer n-fach halogenierten Arylverbindung der allgemeinen Formel: LXn und/oder einer Silanverbindung der Formel Si(LXn-1)4, wobei LXn-1 für einen (n-1)-fach halogenierten Arylrest L steht,
- (ii) in Gegenwart einer metallorganischen Verbindung
- (iii) mit mindestens einer Silanverbindung der Formel SiX4, wobei X für Halogen oder Alkoxy steht.
- (i) an n-fold halogenated aryl compound of the general formula: LX n and / or a silane compound of the formula Si (LX n-1 ) 4 , where LX n-1 is an (n-1) -halogenated aryl radical L,
- (ii) in the presence of an organometallic compound
- (iii) with at least one silane compound of the formula SiX 4 , where X is halogen or alkoxy.
L ist dabei bevorzugt aus den oben genannten Arylresten ausgewählt. Halogen ist bevorzugt Chlor, Brom, Fluor oder Iod. Der Alkoxyrest ist bevorzugt ausgewählt aus Resten mit 1 bis 5 C-Atomen, wie z. B. Methoxy, Ethoxy, Isopropoxy, n-Propoxy. Die metallorganische ist bevorzugt eine Lithiumorganische Verbindung der allgemeinen Formel Li-R, mit R ausgewählt aus Alkyl, Dialkylamino, Alkoxy, Allyl oder Aryl. Besonders bevorzugt ist R ausgewählt aus n-, sec-, oder tert-Butyllithium (BuLi). Alternativ kommen Magnesiumorganische Verbindungen, wie Grignardreagenzien, zum Einsatz.L is preferably selected from the abovementioned aryl radicals. Halogen is preferably chlorine, bromine, fluorine or iodine. The alkoxy radical is preferably selected from radicals having 1 to 5 C atoms, such as For example, methoxy, ethoxy, isopropoxy, n-propoxy. The organometallic is preferably an organolithium compound of the general Formula Li-R, with R selected from alkyl, dialkylamino, Alkoxy, allyl or aryl. R is particularly preferably selected from n-, sec-, or tert-butyllithium (BuLi). Alternatively come organomagnesium compounds, as Grignard reagents, used.
n ist ebenfalls wie oben ausgewählt, das heißt die Arylverbindung ist bevorzugt di-, tri- oder tetrahalogeniert. Die Arylreste in der Silanverbindung sind dementsprechend bevorzugt mono-, di oder trihalogeniert, um die Verknüpfung mit n-1 weiteren Silicum- oder Heteroatomen (wie z. B. Bor) zu erlauben.n is also selected as above, that is the Aryl compound is preferably di-, tri- or tetra-halogenated. The Aryl radicals in the silane compound are accordingly preferred mono-, di or trihalogenated to link to n-1 other silicon or heteroatoms (such as boron) to allow.
In einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die dihalogenierte Arylverbindung nach Reaktion mit einer organischen Alkalimetallverbindung direkt mit einer Silanverbindung SiX4 zu dem erfindungsgemäßen Polymer umgesetzt.In a preferred variant of the process according to the invention, the dihalogenated aryl compound, after reaction with an organic alkali metal compound, is reacted directly with a silane compound SiX 4 to give the polymer according to the invention.
Die
Ausgangsstoffe werden bevorzugt alle in genau oder annähernd
stöchiometrischen Verhältnissen eingesetzt:
n-fach
halogenierte Arylverbindung: organischen Metallverbindung = 1:n ± 20%,
bevorzugt ± 10%.
n-fach halogenierte Arylverbindung
Silanverbindung SiX4 = n: 1 ± 20%,
bevorzugt ± 10%.
(n-1)-fach halogenierte Silanverbindung
der Formel Si(LXn-1)4:
organischen Metallverbindung = 1:4(n-1) ± 20%, bevorzugt ± 10%.The starting materials are preferably all used in exactly or approximately stoichiometric ratios:
n-halogenated aryl compound: organic metal compound = 1: n ± 20%, preferably ± 10%.
N-halogenated aryl compound Silane compound SiX 4 = n: 1 ± 20%, preferably ± 10%.
(n-1) -fatty halogenated silane compound of the formula Si (LX n-1 ) 4 : organic metal compound = 1: 4 (n-1) ± 20%, preferably ± 10%.
D. h. pro mol Halogen in der halogenierten Arylverbindung oder Silanverbindung werden bevorzugt 1 ± 20%, bevorzugt ± 10% mol organische Metallverbindung eingesetzt.D. H. per mole of halogen in the halogenated aryl compound or silane compound are preferably 1 ± 20%, preferably ± 10% mol used organic metal compound.
Die Konzentration der n-fach halogenierten Arylverbindung ist bevorzugt 0,01 bis 0,2 mol/l, besonders bevorzugt 0,02 bis 0,1 mol/l.The Concentration of the n-fold halogenated aryl compound is preferred 0.01 to 0.2 mol / l, more preferably 0.02 to 0.1 mol / l.
In einer zweiten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird jeweils in Gegenwart einer organischen Alkalimetallverbindung zunächst
- a.) eine Silanverbindung der Formel Si(LXn-1)4 mit einer metallorganischen Verbindung zu Si(LMn-1)4 mit M = Metall umgesetzt und anschließend
- b.) eine Silanverbindung SiX4 zugegeben wird um die weitere Vernetzung zu dem erfindungsgemäßen Polymer zu erreichen.
- a.) A silane compound of the formula Si (LX n-1 ) 4 reacted with an organometallic compound to Si (LM n-1 ) 4 with M = metal and then
- b.) a silane compound SiX 4 is added in order to achieve further crosslinking to the polymer according to the invention.
Auch
hier werden die Ausgangsstoffe bevorzugt alle in genau oder annähernd
stöchiometrischen Verhältnissen eingesetzt:
(n-1)-fach
halogenierte Silanverbindung der Formel Si(LXn-1)4: organischen Metallverbindung = 1:4 (n-1) ± 20%,
bevorzugt ± 10%.
(n-1)-fach, halogenierte Silanverbindung
der Formel Si(LXn-1)4:
Silanverbindung SiX4 = 1:1 ± 20%,
bevorzugt ± 10%.Again, the starting materials are preferably all used in exactly or approximately stoichiometric ratios:
(n-1) -fatty halogenated silane compound of the formula Si (LX n-1 ) 4 : organic metal compound = 1: 4 (n-1) ± 20%, preferably ± 10%.
(n-1) -fused, halogenated silane compound of the formula Si (LX n-1 ) 4 : Silane compound SiX 4 = 1: 1 ± 20%, preferably ± 10%.
Die Konzentration der (n-1)-fach halogenierte Silanverbindung ist bevorzugt 0,005 bis 0,1 mol/l, besonders bevorzugt 0,01 bis 0,5 mol/l.The Concentration of the (n-1) -fine halogenated silane compound is preferred 0.005 to 0.1 mol / l, more preferably 0.01 to 0.5 mol / l.
Zur Herstellung Bor-haltiger Polymere wird im erfindungsgemäßen Verfahren zusätzlich oder anstelle der Verbindung Silanverbindung SiX4 oder Si(LXn-1)4 eine Borverbindung der Formel BX3 und/oder eine Boranverbindung der Formel B(LXn-1)3, umgesetzt, wobei X wieder für Halogen oder Alkoxy steht und bevorzugt wie oben genannt ausgewählt ist.For the preparation of boron-containing polymers, a boron compound of the formula BX 3 and / or a borane compound of the formula B (LX n-1 ) 3 is additionally or instead of the compound silane compound SiX 4 or Si (LX n-1 ) 4 implemented in the process according to the invention where X is again halogen or alkoxy and preferably as selected above.
Die Konzentrationen und Molverhältnisse werden grundsätzlich wie oben gewählt.The Concentrations and molar ratios become basic as selected above.
Das Verhältnis der Silanverbindung der Formel Si(LXn-1)4 zur Boranverbindung B(LXn-1)3 ist bevorzugt 3:4 ± 20%, bevorzugt ± 10%.The ratio of the silane compound of the formula Si (LX n-1 ) 4 to the borane compound B (LX n-1 ) 3 is preferably 3: 4 ± 20%, preferably ± 10%.
Die Konzentration der Boranverbindung der Formel B(LXn-1)3 ist bevorzugt 0,005 bis 0,1 mol/l, besonders bevorzugt 0,01 bis 0,5 mol/l.The concentration of the borane compound of the formula B (LX n-1 ) 3 is preferably 0.005 to 0.1 mol / l, particularly preferably 0.01 to 0.5 mol / l.
Die Reaktion wird bevorzugt bei Temperaturen unter 100°C, vorzugsweise zwischen +25°C und –150°C durchgeführt, besonders bevorzugt unter –5°C und weiter bevorzugt über –100°C.The Reaction is preferred at temperatures below 100 ° C, preferably between + 25 ° C and -150 ° C, more preferably below -5 ° C and more preferably above -100 ° C.
Bevorzugt wird als Lösungsmittel ein aprotisches Lösungsmittel für die Reaktion eingesetzt. Bevorzugte aprotische Lösungsmittel sind Ether mit linearen Alkylresten oder cyclische Ether, bevorzugt mit 1 bis 8 C-Atomen und 1 Sauerstoffatom. Besonders bevorzugt ist der Ether ausgewählt aus Dimethylether, Diethylether, Methoxypropan, Tetrahydrofuran, Oxacyclohexan (Tetrahydropyran). Alternativ wird als Lösungsmittel ein Gemisch aus Ether und einem anderen apolaren Lösungsmittel, wie z. B. einem linearen oder cylischen Alkan (z. B. Hexan, Heptan, Cyclohexan oder Cycloheptan) oder Benzen eingesetzt, bevorzugt beträgt der Etheranteil in einem solchen Gemisch über 20%, besonders bevorzugt über 30%.Prefers becomes a solvent as an aprotic solvent used for the reaction. Preferred aprotic solvents ethers with linear alkyl radicals or cyclic ethers are preferred with 1 to 8 C atoms and 1 oxygen atom. Particularly preferred the ether selected from dimethyl ether, diethyl ether, methoxypropane, Tetrahydrofuran, oxacyclohexane (tetrahydropyran). Alternatively it will as solvent, a mixture of ether and another apolar solvent, such as. B. a linear or cyclic Alkane (eg hexane, heptane, cyclohexane or cycloheptane) or benzene used, preferably the ether content is in one such mixture over 20%, more preferably over 30%.
Gegenstand der Erfindung ist auch die Verwendung des erfindungsgemäßen Polymers als Ersatzmaterial für Aktivkohle, Adsorptionsmaterial (insbesondere für unpolare Verbindungen), als Speichermaterial für Gase, inbesondere Wasserstoff und Methan, in der Luftreinigung, Kraftstoffrückgewinnung oder Geruchsminimierung, Trägermaterial für katalytisch aktive Verbindungen, d. h. als heterogener Katalysator, sowie zur Stofftrennung (z. B. von Gasen unterschiedlicher Polarität).The invention also relates to the use of the polymer according to the invention as a replacement material for activated carbon, adsorption material (in particular for nonpolar compounds), as a storage material for gases, in particular hydrogen and methane, in the air purification, fuel recovery or odor minimization, carrier material for catalytically active compounds, ie as a heterogeneous Catalyst, as well as for substance separation (eg of gases of different polarity).
Ausführungsbeispiele:EXAMPLES
Die
Erfindung wird nachfolgend durch Ausführungsbeispiele näher
erläutert, ohne die Erfindung auf diese zu beschränken:
Die
Synthese und die Eigenschaften der erfindungsgemäßen
Verbindungen werden nachfolgend anhand der Verbindungen Poly(1,4-phenylen)silan,
Poly(4,4'-biphenylen)silan, Bor-verknüpftem Polyphenylsilan
und Poly(2,4,6-triphenylbenzen)silan erläutert.The invention is explained in more detail below by exemplary embodiments, without limiting the invention to these:
The synthesis and the properties of the compounds according to the invention are described below with reference to the compounds poly (1,4-phenylene) silane, poly (4,4'-biphenylene) silane, boron-linked polyphenylsilane and poly (2,4,6-triphenylbenzene) silane explained.
Ausführungsbeispiel 1: Herstellung und Charakterisierung von Poly(1,4-phenylen)silan:Embodiment 1: Production and Characterization of Poly (1,4-phenylene) silane:
1.1 Synthese1.1 Synthesis
Die Herstellung von Poly(1,4-phenylen)silan erfolgt in 2 Schritten: Ausgehend von dem tetraedrischen Molekül Tetrakis(4-bromophenyl)silan wird über eine vierfache Lithiierung mit Butyllithium und anschließende Verknüpfung der tetraedrischen Einheit mit Silizium ein Netzwerk erzeugt. Gleichung 1: Lithiierung von Tetrakis(4-bromophenyl)silan Gleichung 2: Verknüpfung der tetraedrischen Gerüsteinheiten The preparation of poly (1,4-phenylene) silane is carried out in 2 steps: Starting from the tetrahedral molecule tetrakis (4-bromophenyl) silane, a network is generated by a four-fold lithiation with butyllithium and subsequent linking of the tetrahedral unit with silicon. Equation 1: Lithiation of tetrakis (4-bromophenyl) silane Equation 2: Linkage of the tetrahedral scaffold units
0,5 g (0,77 mmol) Tetrakis(4-bromophenylsilan) werden im Reaktionsgefäß unter Argonatmosphäre vorgelegt und in 50 ml getrocknetem THF gelöst. Das Gemisch wird in einem Eiswasserbad mit Gefriersalzmischung auf –10°C gekühlt und tropfenweise mit 1,23 ml (3,07 mmol) Butyllithium versetzt. Nach 10 min Rühren bei –10°C werden 0,17 ml (0,77 mmol) Tetraethylorthosilikat (TEOS) tropfenweise zugegeben. Das Gemisch wird so lange gerührt, bis es sich auf Raumtemperatur erwärmt hat. Im Anschluss wird die Reaktion durch Zugabe von 40 ml dest. Wasser abgebrochen. Der entstandene Niederschlag wird abzentrifugiert und zweimal mit THF, Wasser und Ethanol gewaschen. Das Produkt wird im Trockenschrank bei 100°C mindestens sechs Stunden getrocknet. Die Ausbeute beträgt 83% und die spezifische Oberfläche (BET) 780 m2g–1.0.5 g (0.77 mmol) of tetrakis (4-bromophenylsilane) are introduced into the reaction vessel under an argon atmosphere and dissolved in 50 ml of dried THF. The mixture is cooled in an ice water bath with freeze-salt mixture to -10 ° C and treated dropwise with 1.23 ml (3.07 mmol) of butyllithium. After stirring at -10 ° C for 10 min, 0.17 ml (0.77 mmol) of tetraethyl orthosilicate (TEOS) is added dropwise. The mixture is stirred until it has warmed to room temperature. Following the reaction by adding 40 ml of dist. Water stopped. The resulting precipitate is centrifuged off and washed twice with THF, water and ethanol. The product is dried in a drying oven at 100 ° C for at least six hours. The yield is 83% and the specific surface area (BET) 780 m 2 g -1 .
In Abhängigkeit der Synthesebedingungen (insbesondere Temperatur, eingesetztes Siliziumedukt, Konzentration und eingesetztes Lösungsmittel) erhält man Materialien mit etwas unterschiedlicher Porosität.In Dependence of the synthesis conditions (in particular temperature, used silicon educt, concentration and solvent used) you get materials with slightly different porosity.
1.2 Charakterisierung der Verbindung1.2 Characterization of the compound
RöntgenpulverdiffraktometrieX-ray powder
Die Untersuchung der Verbindung mittels Röntgenpulverdiffraktometrie führte zu dem Ergebnis, dass ein vollkommen amorphes Material vorliegt.The Examination of the compound by X-ray powder diffractometry led to the result that a completely amorphous material is present.
Festkörper-NMR-SpektroskopieSolid-state NMR spectroscopy
Da keine direkte Aussage über die Fernordnung von Poly(1,4-phenylen)silan mittels Röntgendiffraktometrie gemacht werden kann, wurde ein repräsentativer Teil der Proben mit Festkörper-NMR-Spektroskopie untersucht, um Informationen über die Nahordnung in der polymeren Verbindung zu erhalten.There no direct statement about the long-range order of poly (1,4-phenylene) silane by X-ray diffractometry was investigated a representative part of the samples with solid-state NMR spectroscopy, for information about the proximity in the polymeric compound to obtain.
Im 13C-CP-MAS-NMR-Spektrum von Poly(1,4-phenylen)silan
(s.
Außerdem
sind vier Signale im Bereich aliphatischer C-Atome zu erkennen (δ[ppm]
= 54,0; 18,1; 12,7; 8,6). Aus ihnen lässt sich schlussfolgern,
dass aliphatische Reste, vorzugsweise mit vier C-Atomen in die Struktur
eingebaut sind. Es wäre z. B. denkbar, dass Butylgruppen von
noch nicht abreagiertem Butyllithium nach folgender Gleichung mit „Si-Cl"-Gruppen
reagiert haben:
Eine weitere Möglichkeit wäre, dass ein Teil des Butyllithium das THF gespalten hat, und dass diese Reste in die polymere Verbindung eingebaut wurden.A Another possibility would be that part of the butyllithium the THF has cleaved, and that these residues in the polymeric compound were installed.
Informationen
bezüglich der Siliziumatome in der Struktur können
aus dem 29Si-MAS-NMR-Spektrum von Poly(1,4-phenylen)silan
(
Ein relativ schmaler Peak hoher Intensität befindet sich bei einer chemischen Verschiebung von –17,9 ppm. Dieser ist den tetraedrisch mit Phenyleneinheiten-substituierten Siliziumatomen zuzuordnen, die den Großteil der polymeren Verbindung ausmachen. Aus dem Vergleich der betragsmäßig kleineren chemischen Verschiebung in Tetrakis(4-bromophenyl)silan von –13,4 ppm mit der hier vorliegenden von –17,9 ppm kann geschlussfolgert werden, dass die Art des Substituenten am Phenylenring trotz des relativ großen Abstands (4C-Atome) noch einen starken Einfluss auf die chemische Verschiebung des in para-Position dazu sitzenden Siliziumatoms hat. Dieser Einfluss ist zusätzlich von der Art des Substituenten abhängig. Weiterhin ist im Spektrum ein sehr breiter Peak im Bereich von –33 bis –43 ppm zu finden. Das ist ein weiteres Indiz für aliphatische Reste an einem Teil der Siliziumatome und bestätigt die Annahme, dass durch Nebenreaktionen solche in das Netzwerk eingebaut wurden.One relatively narrow peak of high intensity is at a chemical shift of -17.9 ppm. This is the tetrahedral with phenylene units-substituted silicon atoms associate, which make up the bulk of the polymeric compound. From the comparison of the smaller amount of chemical shift in tetrakis (4-bromophenyl) silane of -13.4 ppm with the here present at -17.9 ppm can be inferred that the nature of the substituent on the phenylene ring despite the relative large distance (4C atoms) still has a strong influence on the chemical shift of the silicon atom sitting in the para position Has. This influence is additionally dependent on the nature of the substituent dependent. Furthermore, the spectrum is a very broad peak ranging from -33 to -43 ppm. The is another indication of aliphatic radicals on one Part of the silicon atoms and confirms the assumption that by side reactions such were built into the network.
IR- und Raman-SpektroskopieIR and Raman spectroscopy
In
Die
aussagekräftigsten Banden mit den eindeutig zuzuordnenden
Gruppen sind in der folgenden Tabelle zusammengefasst: Tabelle 4: Zuordnung der Banden im IR-
und Raman-Spektrum
Thermoanalyse (DTA/TG)Thermal analysis (DTA / TG)
Zur
Bestimmung der thermischen Stabilität wurde eine thermogravimetrische
Analyse (TG) in Verbindung mit einer Differential-Thermo-Analyse
(DTA) an Poly(1,4-phenylen)silan durchgeführt. Das Diagramm
ist in
ElementaranalyseElemental analysis
Die
elementare Zusammensetzung (C und H) wurde mittels Verbrennungsanalyse
bestimmt. Der angegebene Gehalt an Silizium stammt aus den Ergebnissen
der Thermoanalyse. Tab. 5: Ergebnisse der Elementaranalyse
N2-PhysisorptionN 2 physisorption
Die Ergebnisse der Physisorptionsmessungen belegen die Vermutung, dass es sich bei der Verbindung um ein poröses Material handelt.The Results of physisorption measurements suggest that the compound is a porous material.
Bei
allen gemessenen Proben tritt eine Hysterese auf, weil die Desorptionskurve
bis hin zu sehr kleinen Relativdrücken nicht mit der Adsorptionskurve
schließt. Dieses Verhalten ist typisch für amorphe,
poröse Polymere (z. B. Trip-PIM (
Für
die Verbindung Poly(1,4-phenylen)silan wurde durch Auswertung der
BET-Auftragung eine spezifische Oberfläche von 780 m2g–1 (p/p0 = 0,1–0,22) bestimmt. Die Isotherme
wurde außerdem nach der t-Methode nach de Boer ausgewertet.
Die t-Auftragung ist in
Zum Vergleich wurde die Adsorptionskapazität von Tetrakis(4-bromophenyl)silan gemessen um auszuschließen, dass es sich bei dem tetragonalen, starren Edukt um eine poröse Verbindung handelt. Es wurde eine spezifische BET-Oberfläche bei p/p0 = 0,3 von 0,22 m2g–1 bestimmt.For comparison, the adsorption capacity of tetrakis (4-bromophenyl) silane was measured to exclude that the tetragonal rigid starting material is a porous compound. A specific BET surface area at p / p 0 = 0.3 of 0.22 m 2 g -1 was determined.
H2-PhysisorptionH 2 physisorption
Die
in
Bei einem Druck von p = 1 bar werden 105 cm3g–1 Wasserstoff adsorbiert, was einem Wert von 0,94 Gew.-% entspricht.. Da die Adsorptionskurve mit zunehmendem Druck einen positiven Anstieg aufweist, ist davon auszugehen, dass bei höheren Drücken auch die Menge adsorbierten Wasserstoffs noch ansteigt.At a pressure of p = 1 bar 105 cm 3 g -1 of hydrogen are adsorbed, which corresponds to a value of 0.94 wt .-% .. Since the adsorption curve with increasing pressure has a positive increase, it can be assumed that at higher Press also the amount of adsorbed hydrogen still increases.
H2O-PhysisorptionH 2 O physisorption
Die
Charakterisierung der erwartungsgemäß hydrophoben
Eigenschaften erfolgte durch Messung der Wasserdampfphysisorption.
Die H2O-Physisorptionsisotherme von Poly(1,4phenylen)silan
bei 25°C sind in
Im Gegensatz zur N2-Physisorption erfolgt bei kleinen Relativdrücken keine nennenswerte Adsorption von Wasser. Die adsorbierte Menge nimmt langsam aber stetig zu und erreicht nah am Sättigungsdampfdruck ein Maximum. Aufgrund der geringen Menge adsorbierten Wassers bei kleinen Relativdrücken ist die Bestimmung der spezifischen BET-Oberfläche im Bereich von 0,05 bis 0,3 nicht aussagekräftig. In beiden Isothermen ist eine ausgeprägte Hysterese zu erkennen, die sich erst bei sehr kleinen Relativdrücken annähernd wieder schließt. Dieses Phänomen kann wie bei der N2-Physisorption als Effekt des Quellverhaltens gedeutet werden. Allerdings kann man es auch als ein Resultat relativ starker Wechselwirkungen der Wassermoleküle mit z. B. hydrophilen Hydroxygruppen ansehen, welche Wasserstoffbrückenbindungen ausbilden und somit die Wasseradsorption energetisch begünstigen können. Dass die Menge des adsorbierten Wassers bei höheren Relativdruck und bei höherer Temperatur kleiner ist, kann mit der Clausius-Clapeyron-Gleichung beschrieben werden. Die Berechnung des totalen Porenvolumens aus der adsorbierten Menge Wasser beim höchsten Relativdruck führt bei 25°C zu 0,28 cm3g–1, der mit zunehmender Temperatur noch kleiner wird. Im Vergleich dazu ist das nach der t-Methode aus der N2-Isotherme bei 77 K bestimmte Mikroporenvolumen 0,32 cm3g–1 und aus der adsorbierten Menge bei p/p0 = 0,92 sogar 0,52 cm3g–1. Diese Daten belegen eindeutig, dass die Wasseradsorption nur in bestimmten Teilen der Poren stattfindet, in denen die hydrophoben Eigenschaften durch das Vorhandensein von z. B. OH-Gruppen nicht so stark ausgeprägt sind.In contrast to N 2 physisorption, no appreciable adsorption of water occurs at low relative pressures. The adsorbed amount increases slowly but steadily and reaches a maximum near saturation vapor pressure. Due to the small amount of adsorbed water at low relative pressures, the determination of the BET specific surface area in the range of 0.05 to 0.3 is not meaningful. In both isotherms a pronounced hysteresis can be seen, which closes approximately only at very small relative pressures. As in the case of N 2 physisorption, this phenomenon can be interpreted as an effect of the swelling behavior. However, one can also see it as a result of relatively strong interactions of the water molecules with z. B. hydrophilic hydroxy groups, which form hydrogen bonds and thus the What seradsorption can energetically favor. That the amount of adsorbed water is smaller at higher relative pressure and at higher temperature can be described by the Clausius-Clapeyron equation. The calculation of the total pore volume from the adsorbed amount of water at the highest relative pressure leads at 25 ° C to 0.28 cm 3 g -1 , which is even smaller with increasing temperature. In comparison, the micropore volume determined by the t-method from the N 2 isotherm at 77 K is 0.32 cm 3 g -1 and from the adsorbed amount at p / p 0 = 0.92 even 0.52 cm 3 g -1 . These data clearly show that the water adsorption takes place only in certain parts of the pores, in which the hydrophobic properties due to the presence of z. B. OH groups are not so pronounced.
Methan-SpeicherungMethane storage
Die
Messung der Methan-Speicherkapazität bei hohem Druck erfolgte
bei einer Temperatur von 30°C.
Die hier vorliegende Gibbs-Excess-Adsorptions-Isotherme zeigt ein Maximum bei einem Druck von 50 bar, bei dem 4.8 Gew.-% Methan adsorbiert werden.The here Gibbs excess adsorption isotherm shows a maximum at a pressure of 50 bar, adsorbed at the 4.8 wt .-% methane become.
Ausführungsbeispiel 2: Poly(4,4'-biphenylen)silanEmbodiment 2: Poly (4,4'-biphenylene) silane
2.1 Synthese Gleichung 3: Lithiierung von 4,4'-Dibrombiphenyl 2.1 Synthesis Equation 3: Lithiation of 4,4'-dibromobiphenyl
Gleichung 4: Verknüpfung der linearen Linker mit dem tetraedrischen Konnektor Equation 4: Linkage of the linear linker with the tetrahedral connector
0,78 g (2,5 mmol) 4,4'-Dibrombiphenyl werden im Reaktionsgefäß unter Argongasatmosphäre vorgelegt und in 50 ml getrocknetem THF gelöst. Das Gemisch wird in einem Eiswasserbad mit Gefriersalzmischung auf –10°C gekühlt und tropfenweise mit 2,0 ml (5,0 mmol) Butyllithium versetzt. Nach 10 min Rühren bei –10°C werden 0,28 ml (1,25 mmol) Tetraethylorthosilikat (TEOS) tropfenweise zugegeben. Das Gemisch wird so lange gerührt, bis es sich auf Raumtemperatur erwärmt hat. Im Anschluss wird die Reaktion durch Zugabe von 40 ml dest. Wasser abgebrochen. Der entstandene Niederschlag wird abzentrifugiert und zweimal mit THF, Wasser und Ethanol gewaschen. Das Produkt wird im Trockenschrank bei 100 °C mindestens sechs Stunden getrocknet.0.78 g (2.5 mmol) of 4,4'-dibromobiphenyl are introduced into the reaction vessel under argon gas atmosphere and dissolved in 50 ml of dried THF. The mixture is cooled in an ice water bath with freeze-salt mixture to -10 ° C and treated dropwise with 2.0 ml (5.0 mmol) of butyllithium. After stirring at -10 ° C for 10 min, 0.28 ml (1.25 mmol) of tetraethylorthosilicate (TEOS) is added dropwise. The mixture is stirred until it has warmed to room temperature. Following the reaction by adding 40 ml of dist. Water stopped. The resulting precipitate is centrifuged off and washed twice with THF, water and ethanol. The product is dried in a drying oven at 100 ° C for at least six hours.
2.2 Charakterisierung der Verbindung2.2 Characterization of the compound
RöntgenpulverdiffraktometrieX-ray powder
Die Untersuchung der Verbindung mittels Röntgenpulverdiffraktometrie führte zu dem Ergebnis, dass ein vollkommen amorphes Material vorliegt.The Examination of the compound by X-ray powder diffractometry led to the result that a completely amorphous material is present.
Festkörper-NMR-SpektroskopieSolid-state NMR spectroscopy
Da auch im Fall von Poly(4,4'-biphenylen)silan keine direkte Aussage über die Fernordnung mittels Röntgendiffraktometrie gemacht werden kann, wurde ein repräsentativer Teil der Proben mit Festkörper-NMR-Spektroskopie untersucht, um Informationen über die Nahordnung in der polymeren Verbindung zu erhalten.There even in the case of poly (4,4'-biphenylene) silane no direct statement about the long-range order made by X-ray diffractometry became a representative part of the samples investigated using solid-state NMR spectroscopy for information about to obtain the near order in the polymeric compound.
Das 13C-CP-MAS-NMR-Spektrum von Poly(4,4'-biphenylen)silan
(s.
In
diesem Spektrum tauchen ebenso wie bei Poly(1,4-phenylen)silan vier
Signale im Bereich aliphatischer C-Atome auf, die in der chemischen
Verschiebung nur leicht voneinander abweichen:
δPoly(4,4'-biphenylen)silan[ppm] = 54,2; 17,7;
12,9; 8,4
δPoly(1,4-phenylen)silan[ppm]
= 54,0; 18,1; 12,7; 8,6 In this spectrum, as with poly (1,4-phenylene) silane, four signals appear in the range of aliphatic C atoms, which differ only slightly in chemical shift:
δ poly (4,4'-biphenylene) silane [ppm] = 54.2; 17.7; 12.9; 8.4
δ poly (1,4-phenylene) silane [ppm] = 54.0; 18.1; 12.7; 8.6
D. h. dass auch in dieser Verbindung aliphatische Reste mit vier C-Atomen in der Struktur vorliegen, die wahrscheinlich auf Butylgruppen aus dem Butyllithium zurückzuführen sind.D. H. that also in this compound aliphatic radicals having four carbon atoms present in the structure, probably based on butyl groups attributed to the butyllithium.
Im 29Si-MAS-NMR-Spektrum von Poly(4,4'-bphenylen)silan
(s.
IR- und Raman-SpektroskopieIR and Raman spectroscopy
In
Die
aussagekräftigsten Banden mit den eindeutig zuzuordnenden
Gruppen sind in der folgenden Tabelle zusammengefasst: Tab. 7: Zuordnung der Banden im IR- und
Raman-Spektrum
Thermoanalyse (DTA/TG)Thermal analysis (DTA / TG)
Das
Diagramm der Thermoanalyse von Poly(4,4'-biphenylen)silan ist in
Nach dem DTA-Signal besteht dieser exotherme Prozess aus zwei deutlich voneinander getrennten Stufen, die ihre Maxima bei 413 und 564°C aufweisen. Betrachtet man die 1,7% als nicht zur eigentlichen Verbindung gehörig, wird ein Masseverlust von 81,6% beobachtet.To the DTA signal, this exothermic process consists of two distinct separate stages, their maxima at 413 and 564 ° C exhibit. If one considers the 1.7% as not the actual connection belonging, a mass loss of 81.6% is observed.
ElementaranalyseElemental analysis
Um
weitere Informationen über die Zusammensetzung der Verbindung
zu erhalten wurde der Gehalt an Kohlenstoff und Wasserstoff mittels
Elementaranalyse bestimmt. Der in der folgenden Tabelle angegebene Si-Gehalt
wurde den Ergebnissen der Thermoanalyse entnommen. Tab. 8: Ergebnisse der Elementaranalyse
N2-PhysisorptionN 2 physisorption
Die
N2-Physisorptionsisotherme von Poly(4,4'-biphenylen)silan
bei 77 K (s.
Für die Verbindung Poly(4,4'-biphenylen)silan wurde durch Auswertung der BET-Auftragung eine spezifische Oberfläche von 1046 m2g–1 (p/p0 = 0,05–0,3) bestimmt. Damit ist die spezifische Oberfläche bei vergrößertem organischen Linker in der Struktur um 266 m2g–1 größer. Die Isotherme wurde außerdem nach der t-Methode nach de Boer ausgewertet.For the compound poly (4,4'-biphenylene) silane, a specific surface area of 1046 m 2 g -1 (p / p 0 = 0.05-0.3) was determined by evaluating the BET plot. Thus, the specific surface area is larger by 266 m 2 g -1 with increased organic linker in the structure. The isotherm was also evaluated according to the t method according to de Boer.
Die t-Auftragung befindet sich im Anhang A7. Für die Verbindung Poly(4,4'-biphenylen)silan ergibt sich nach dieser Methode ein Mikroporenvolumen von 0,45 cm3g–1.The t-plot can be found in Appendix A7. For the compound poly (4,4'-biphenylene) silane results according to this method, a microporous volume of 0.45 cm 3 g -1 .
Die spezifische Mikroporenoberfläche beträgt 845 m2g–1 und die externe Oberfläche 201 m2g–1. Das Mikroporenvolumen hat durch die Linkervergrößerung von der Phenylen- zur Biphenylengruppe zugenommen.The specific micropore surface area is 845 m 2 g -1 and the external surface is 201 m 2 g -1 . The micropore volume has increased from the phenylene to the biphenylene group due to the linker enlargement.
H2-PhysisorptionH 2 physisorption
Die
in
Bei einem Druck p = 1 bar werden 134 cm3g–1 Wasserstoff adsorbiert, was einem Wert von 1,21 Gew.-% entspricht. Damit ist die Speicherkapazität um 0,27 Gew.-% größer als bei Poly(1,4-phenylen)silan. Es ist davon auszugehen, dass bei Hochdruckmessungen die Differenz der Speicherkapazitäten der beiden Verbindungen noch zunimmt, da die Isotherme von Poly(4,4'-biphenylen)silan bei höheren Relativdrücken einen größeren Anstieg besitzt als die Isotherme von Poly(1,4-phenylen)silan.At a pressure p = 1 bar 134 cm 3 g -1 of hydrogen are adsorbed, which corresponds to a value of 1.21 wt .-%. Thus, the storage capacity is greater by 0.27 wt .-% than poly (1,4-phenylene) silane. It can be assumed that the difference in the storage capacities of the two compounds still increases with high-pressure measurements, since the isotherm of poly (4,4'-biphenylene) silane has a greater increase at higher relative pressures than the isotherm of poly (1,4-phenylene ) silane.
H2O-PhysisorptionH 2 O physisorption
Die
Isothermen der Wasserdampfphysisorption bei 25 sind in
Im Vergleich mit anderen mikroporösen Materialien (z. B. Zeolithe, MOFs) weist die Verbindung hydrophobe Eigenschaften ähnlich denen von Aktivkohlen auf. So beginnt bei vielen Aktivkohlen die Adsorption von Wasserdampf eindeutig erst bei einem Relativdruck größer 0,5. Zeolithe dagegen zeigen aufgrund ihrer materiellen Zusammensetzung stark hydrophie Eigenschaften, wodurch die meisten schon bei einem Relativdruck kleiner 0,2 adsorbieren und deshalb auch bei der Wasseradsorption in Mikroporen Typ-I-Isothermen aufweisen.in the Comparison with other microporous materials (eg zeolites, MOFs), the compound has similar hydrophobic properties those of activated carbons. So begins with many activated carbons the Adsorption of water vapor clearly only at a relative pressure greater than 0.5. Zeolites on the other hand show because of their material composition strongly hydrophilic properties, thereby most already adsorb at a relative pressure of less than 0.2 and therefore also in water adsorption in micropores type I isotherms exhibit.
Methan-SpeicherungMethane storage
Ausführungsbeispiel 3: Bor-verknüpftes PolyphenyensilanEmbodiment 3: Boron-linked Polyphenyensilan
3.1 Synthese, Beobachtungen und Optimierung3.1 Synthesis, Observations and Optimization
0,5 g (0,77 mmol) Tetrakis(4-bromophenylsilan) werden im Reaktionsgefäß unter Argonatmosphäre vorgelegt und in 50 ml getrocknetem THF gelöst. Das Gemisch wird in einem Eiswasserbad mit Gefriersalzmischung auf –10°C gekühlt und tropfenweise mit 1,23 ml (3,07 mmol) Butyllithium versetzt. Nach 10 min Rühren bei –10°C werden 1,02 ml (1,02 mmol) Bortrichlorid tropfenweise zugegeben. Das Gemisch wird so lange gerührt, bis es sich auf Raumtemperatur erwärmt hat. Im Anschluss wird die Reaktion durch Zugabe von 40 ml dest. Wasser abgebrochen. Der entstandene Niederschlag wird abzentrifugiert und zuerst zweireal mit THF und danach zweimal mit Ethanol gewaschen.0.5 g (0.77 mmol) of tetrakis (4-bromophenylsilan) are in the reaction vessel under Submitted argon atmosphere and in 50 ml of dried THF solved. The mixture is placed in an ice-water bath with freeze-salt mixture cooled to -10 ° C and dropwise with Added 1.23 ml (3.07 mmol) of butyllithium. After 10 min stirring at -10 ° C. Add 1.02 ml (1.02 mmol) of boron trichloride dropwise. The mixture is stirred until it is at room temperature has warmed up. Following the reaction by addition of 40 ml dist. Water stopped. The resulting precipitate is spun down and washed two times with THF and then twice washed with ethanol.
Gleichung 5: Synthese von Bor-verknüpftem Polyphenylensilan aus Tetrakis(4-bromophenyl)silan. Equation 5: Synthesis of boron-linked polyphenylene silane from tetrakis (4-bromophenyl) silane.
3.2 Charakterisierung der Verbindung3.2 Characterization of the compound
Die Porosität und die BET-Oberfläche der erhaltenen Bor-haltigen Materialien ist deutlich geringer als die borfreien Materialien der anderen Ausführungsbeispiele.The Porosity and the BET surface area of the obtained Boron-containing materials are significantly lower than the boron-free materials Materials of the other embodiments.
IR- und Raman-SpektroskopieIR and Raman spectroscopy
In
Ausführungsbeispiel 4 Synthese von Poly(1,3,5-triphenylbenzen)silanEmbodiment 4 Synthesis of poly (1,3,5-triphenylbenzene) silane
Synthese:Synthesis:
0,5 g (0,92 mmol) 1,3,5-Tri(4'-bromophenyl)benzen werden im Reaktionsgefäß unter Argongasatmosphäre vorgelegt und in 50 ml getrocknetem THF gelöst. Das Gemisch wird in einem Eiswasserbad mit Gefriersalzmischung auf –10°C gekühlt und tropfenweise mit 1,1 ml (2,76 mmol) Butyllithium versetzt. Nach 10 min Rühren bei –10°C werden 0,15 ml (0,67 mmol) Tetraethylorthosilikat (TEOS) tropfenweise zugegeben. Das Gemisch wird so lange gerührt, bis es sich auf Raumtemperatur erwärmt hat. Im Anschluss wird die Reaktion durch Zugabe von 40 ml dest. Wasser abgebrochen. Der entstandene Niederschlag wird abzentrifugiert und zuerst zweimal mit THF und danach zweimal mit Ethanol gewaschen. Das Produkt wird im Trockenschrank bei 100°C mindestens sechs Stunden getrocknet. 0.5 g (0.92 mmol) of 1,3,5-tri (4'-bromophenyl) benzene are in the reaction vessel under argon gas submitted sphere and dissolved in 50 ml of dried THF. The mixture is cooled to -10 ° C. in an ice-water bath with freeze-salt mixture and treated dropwise with 1.1 ml (2.76 mmol) of butyl lithium. After stirring at -10 ° C for 10 min, 0.15 ml (0.67 mmol) of tetraethylorthosilicate (TEOS) is added dropwise. The mixture is stirred until it has warmed to room temperature. Following the reaction by adding 40 ml of dist. Water stopped. The resulting precipitate is centrifuged off and washed first with THF twice and then twice with ethanol. The product is dried in a drying oven at 100 ° C for at least six hours.
Charakterisierung:Characterization:
N2-PhysisorptionN 2 physisorption
Die
N2-Physisorptionsisotherme in
AbkürzungsverzeichnisList of abbreviations
-
- CC
- OF Covalent Organic FrameworkOF Covalent Organic Framework
- CPCP
- Cross PolarizationCross polarization
- DTADTA
- DifferenzthermoanalyseDifferential thermal analysis
- FTFT
- Fourier-TransformationFourier transform
- HIPEHIPE
- High Internal Phase EmulsionHigh Internal Phase emulsion
- IRIR
- InfrarotInfrared
- MASMAS
- Magic Angle SpinningMagic Angle Spinning
- MOFMOF
- Metal Organic FrameworkMetal Organic Framework
- NMRNMR
- Nuclear Magnetic ResonanzNuclear Magnetic Resonance
- NSNS
- Niederschlagprecipitation
- NMNM
- Polymer of Intrinsic MicroporosityPolymer of Intrinsic Microporosity
- TEOSTEOS
- Tetraethylorthosilikattetraethylorthosilicate
- THFTHF
- Tetrahydrofurantetrahydrofuran
- TGTG
- Thermogravimetriethermogravimetry
- THFTHF
- Tetrahydrofurantetrahydrofuran
- TMOSTMOS
- TetramethylorthosilikatTetramethylorthosilicate
- TMEDATMEDA
- Tetramethylethylendiamintetramethylethylenediamine
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Date | Code | Title | Description |
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R020 | Patent grant now final |
Effective date: 20111022 |
|
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |