DE10316317A1 - Production of a heterocycle-substituted polyarylether sulfone, useful for making polymer electrolyte membranes for fuel cells comprises halogenation, reaction with metal and reaction with a heterocycle - Google Patents
Production of a heterocycle-substituted polyarylether sulfone, useful for making polymer electrolyte membranes for fuel cells comprises halogenation, reaction with metal and reaction with a heterocycle Download PDFInfo
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- C08J2381/00—Characterised by the use of macromolecular compounds obtained by reactions forming in the main chain of the macromolecule a linkage containing sulfur with or without nitrogen, oxygen, or carbon only; Polysulfones; Derivatives of such polymers
- C08J2381/06—Polysulfones; Polyethersulfones
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein großtechnisch realisierbares Verfahren zur Herstellung von mit N-Heterocyclen substituierten Polyarylethersulfonen, mit N-Heterocyclen substituierte, befeuchtungsfrei einsetzbare Polyarylethersulfone, die nach diesem Verfahren erhältlich sind, sowie die Verwendung dieser mit N-Heterocyclen substituierten Polyarylethersulfone, insbesondere als PEM in PEMFC.The The invention relates to a large scale feasible process for the preparation of N-heterocycles substituted polyarylethersulfones substituted with N-heterocycles, Moisture-free usable polyarylethersulfones, according to this Method available and the use of these substituted with N-heterocycles Polyarylethersulfone, especially as PEM in PEMFC.
Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) haben ein großes Potenzial als umweltfreundliche Energiequelle. Brennstoffzellen wurden zwar schon seit den sechziger Jahren des zwanzigsten Jahrhunderts in der Raumfahrt verwendet, rückten aber erst in letzter Zeit insbesondere als "grüne" Energieerzeuger ins Vorfeld der Kommerzialisierung. Dabei wurden Brennstoffzellen insbesondere für die Verwendung in Automobilen, in elektronischen Geräten und in stationären Kraftwerken untersucht.Polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC) have a big one Potential as an environmentally friendly source of energy. fuel cells have been since the sixties of the twentieth century used in space travel, moved but only recently, especially as "green" energy producers in Ahead of commercialization. This fuel cells were particular for the Use in automobiles, in electronic devices and in stationary power plants examined.
Die vermutlich kritischste Komponente einer Brennstoffzelle ist die Polymerelektrolytmembran (PEM) oder Protonenaustauschmembran. In den letzten 30 Jahren galt Nafion® (Polyperfluorsulfonsäure) von DuPont als Industriestandard für eine PEM einer Brennstoffzelle. Nafion®-Membranen besitzen eine ausreichende Protonenleitfähigkeit (ca. 0,1 S/cm bei 80°C in Wasser), eine gute chemische Beständigkeit und mechanische Belastbarkeit. Zu den Nachteilen dieser Membranen gehören die hohen Kosten, die reduzierte Leitfähigkeit bei hohen Temperaturen (> 80°C) und die hohe Methanoldurchlässigkeit in Direktmethanol-Brennstoffzellen (DMFC).Probably the most critical component of a fuel cell is the polymer electrolyte membrane (PEM) or proton exchange membrane. In the last 30 years Nafion ® (polyperfluorosulfonic) was DuPont as an industry standard for a PEM fuel cell. Nafion ® membranes have sufficient proton conductivity (about 0.1 S / cm at 80 ° C in water), good chemical resistance and mechanical strength. Disadvantages of these membranes include high cost, reduced high temperature (> 80 ° C) conductivity, and high methanol permeability in direct methanol fuel cells (DMFC).
Die Betriebstemperatur von Brennstoffzellen zu erhöhen, ist aus mehreren Gründen wichtig. Zum einen vermindern höhere Betriebstemperaturen in Brennstoffzellen die Kohlenmonoxidvergiftung der Katalysatoren. Kohlenmonoxid in Konzentrationen von wenigen ppm kann z.B. die Leistung von Brennstoffzellen bei etwa 80°C nachteilig beeinflussen. Zum anderen erhöhen höhere Betriebstemperaturen die Reaktionskinetik der Brennstoffoxidation, z.B. Wasserstoffoxidation, an der Anode und vor allem der Oxidationsmittelreduktion, z.B. Sauerstoffreduktion, an der Kathode.The Increasing the operating temperature of fuel cells is important for several reasons. For one thing, higher ones diminish Operating temperatures in fuel cells carbon monoxide poisoning the catalysts. Carbon monoxide in concentrations of a few ppm can e.g. the performance of fuel cells at about 80 ° C disadvantageous influence. To increase the other higher Operating temperatures the reaction kinetics of the fuel oxidation, e.g. Hydrogen oxidation, at the anode and especially the oxidant reduction, e.g. Oxygen reduction, at the cathode.
Wird jedoch die Betriebstemperatur erhöht, wird es zunehmend schwieriger, die PEM feucht zu halten. Dehydratisierte Membranen verlieren ihre Protonenleitfähigkeit und führen, infolge Schrumpfung der Membran, zu einem schlechten Kontakt zwischen den verschiedenen Brennstoffzellenkomponenten. Es besteht daher ein Bedarf an Membranen, die nicht auf den Temperaturbereich flüssigen Wassers eingeschränkt sind.Becomes however, as the operating temperature increases, it becomes increasingly difficult to keep the PEM moist. Dehydrated membranes lose their proton conductivity and lead due to membrane shrinkage, poor contact between the various fuel cell components. It therefore exists a need for membranes that are not sensitive to the temperature range of liquid water limited are.
Infolge des wiedererwachten Interesses an Brennstoffzellen und der Herausforderung des Hochtemperaturbetriebs wurden neue Membranmaterialien als potenzielle Ersatzmaterialien für Nafion® untersucht. Dabei konzentrierten sich bisherige Arbeiten auf sulfonierte Polystyrole, Styrol-Butadien-Blockcopolymere oder Polyarylether, wie z.B. PEEK. Derartige Polymere werden typischerweise durch Sulfonierung des Polymers hergestellt, d.h. durch Einführung von Sulfonsäuregruppen in das bereits bestehende Polymergerüst.As a result of the renewed interest in fuel cells and the challenge of the high temperature operation of new membrane materials have been investigated as potential substitutes for Nafion ®. Previous work focused on sulfonated polystyrenes, styrene-butadiene block copolymers or polyaryl ethers, such as PEEK. Such polymers are typically prepared by sulfonation of the polymer, ie, by introducing sulfonic acid groups into the already existing polymer backbone.
Eine weitere, in diesem Zusammenhang interessante Stoffklasse sind die Polysulfone. Sie weisen zwar mehrere Vorteile auf, darunter hohe thermische und chemische Stabilität (v.a. ge genüber Säuren, Laugen und Ölen), gute mechanische Eigenschaften im Temperaturbereich von –70 bis +150°C, hohe Form- und Oxidationsbeständigkeit, schwere Entflammbarkeit. Ihnen fehlen jedoch meistens vorteilhaft einsetzbare funktionelle Gruppen, sodass sie üblicherweise nur für Anwendungen eingesetzt werden, bei denen ihr hydrophober, unreaktiver Charakter von Vorteil ist, z.B. in Leitungen und Formkörpern, sowie als Träger für Membranen für die Ultrafiltration und die Umkehrosmose.A other, in this context, interesting class are the Polysulfones. Although they have several advantages, including high thermal and chemical stability (especially against acids, lyes and oils), good mechanical properties in the temperature range from -70 to + 150 ° C, high shape and oxidation resistance, heavy flammability. However, they are usually lacking in benefits usable functional groups, so they are usually only for applications be used where their hydrophobic, unreactive character is advantageous, e.g. in pipes and moldings, and as a carrier for membranes for the Ultrafiltration and reverse osmosis.
Die
Einführung
von funktionellen Gruppen in Polyarylethersulfone wurden bislang
im allgemeinen über einen
Lithiierungs-Schritt
realisiert. In der Schrift
In
der deutschen Offenlegungsschrift
Weitere funktionalisierte Polyarylethersulfone sind beispielsweise aus WO 01/84657 A2 (Universität Stuttgart) bekannt.Further functionalized polyarylethersulfones are for example from WO 01/84657 A2 (University of Stuttgart) known.
Eine ebenfalls in diesem Zusammenhang interessante Stoffklasse sind mit N-Heterocyclen substituierte Polymere. Sie weisen Protonenleitfähigkeit auf und können annähernd befeuchtungsfrei und z.T. auch bei erhöhten Temperaturen als PEM einge setzt werden. Derartige Polymere sind beispielsweise aus Spektrum der Wissenschaft, Sept. 2001, S. 66 bis 69 bekannt. Dort werden Imidazol-substituierte Polymere offenbart, bei denen Imidazolyl-Gruppen über Spacer an ein Polymerrückgrat gebunden sind. Über das Herstellungsverfahren derartiger Polymere geht aus diesem Dokument jedoch nichts hervor.A likewise in this context interesting material class are with N-heterocycles substituted polymers. They exhibit proton conductivity on and can nearly moistening free and z.T. even at elevated temperatures than PEM is set become. Such polymers are, for example, from the spectrum of science, Sept. 2001, pp. 66-69. There are imidazole-substituted Polymers disclosed in which imidazolyl groups via spacer to a polymer backbone are bound. over The production process of such polymers is based on this document but nothing forth.
Die o.g. Verfahren lassen die Herstellung von funktionalisierten Polyarylethersulfonen lediglich im Labormaßstab zu. Polyarylethersulfone werden lediglich im Bereich von etwa 0,005 bis 0,02 mol eingesetzt und die Ausbeuten bewegen sich ebenfalls in diesem Bereich. Die mit diesen Verfahren erhältlichen Mengen an funktionalisierten Polyarylethersulfonen sind für eine industrielle Anwendung dieser Verbindungen zu gering. Ein Up-Scaling der Verfahren vom Labor- über den Technikums- und schließlich zum Produktionsmaßstab scheint indes nicht möglich. Der Grund dafür ist, dass bei diesen Verfahren Chemikalien eingesetzt werden, die Schlichtweg zu teuer und zu gefährlich sind und deren Verwendung besondere, d.h. kosten- und energieintensive Maßnahmen erfordern, wie z.B. strikter Luftausschluss und tiefe Temperaturen. Dabei sind insbesondere die eingesetzten metallierenden Verbindungen, wie z.B. Butyllithium, problematisch. Diese sind nur bei tiefen Temperaturen für längere Zeit stabil (Lagertemperatur ≤ –18°C), werden meist als Lösung in n-Hexan (giftig, nervenschädigend) gelagert und reagieren bei Luftzutritt äußerst heftig (Gefahr von Bränden und Explosionen). All das macht deren Handhabung äußerst schwierig und gefährlich und deren Verwendung in einer großtechnischen Produktion nahezu unmöglich.The abovementioned processes permit the preparation of functionalized polyaryl ether sulfones only on a laboratory scale. Polyarylethersulfones are used only in the range of about 0.005 to 0.02 mol and the yields are also within this range. The amounts of functionalized polyarylethersulfones obtainable by these processes are too low for industrial use of these compounds. An up-scaling of the processes from the laboratory to the pilot scale and finally to the production scale does not seem possible. The reason for this is that these processes use chemicals that are simply too expensive and too dangerous and their use is particular, ie cost and energy tensive measures, such as strict exclusion of air and low temperatures. In particular, the metalating compounds used, such as butyllithium, are problematic. These are only stable at low temperatures for a long time (storage temperature ≤ -18 ° C), are usually stored as a solution in n-hexane (toxic, nerve damaging) and react extremely violent with access of air (danger of fire and explosions). All this makes their handling extremely difficult and dangerous and their use in large-scale production almost impossible.
Dem gegenüber steht ein Bedarf an größeren Mengen funktionalisierter, vorzugsweise annähernd befeuchtungsfreier Polyarylethersulfone, um sie z.B. als konkurrenzfähige Materialien für PEMs von PEMFC einsetzen zu können.the across from there is a need for larger quantities functionalized, preferably approximately moisture-free polyarylethersulfones, around them e.g. as competitive Materials for PEMs from PEMFC can be used.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Herstellungsverfahren für funktionalisierte, annähernd befeuchtungsfreie Polyarylethersulfone anzugeben, das deren Herstellung im Maßstab von industriellen Produktionen ermöglicht.task Therefore, the present invention is a production method for functionalized, nearly to provide moisture-free polyarylethersulfones, their preparation in scale of industrial productions.
Weitere Aufgaben der vorliegenden Erfindung sind, funktionalisierte, annähernd befeuchtungsfreie Polyarylethersulfone bereitzustellen sowie auf mögliche Verwendungen für die funktionalisierte, annähernd befeuchtungsfreien Polyarylethersulfone hinzuweisen.Further Objects of the present invention are functionalized, nearly moisture-free polyarylethersulfones to provide as well as possible Uses for the functionalized, approximate to indicate moisture-free polyarylethersulfones.
Eine Anforderungen an ein für eine großtechnische Realisierung geeignetes Herstellungsverfahren ist z.B., dass es kostengünstig ist, d.h. es sollte u.a. mit möglichst billigen Chemikalien durchzuführen sein, hohe Ausbeuten liefern und einen geringen Energieaufwand erfordern.A Requirements for a for a large-scale For example, realizing a suitable manufacturing process is that it economical is, i. it should u.a. with as possible to carry out cheap chemicals be deliver high yields and require little energy.
Eine weitere Anforderung ist, dass es möglichst sicher durchzuführen ist, ohne übermäßige Unfallgefahr. Herstellungsverfahren, bei denen z.B. übermäßig gefährliche Chemikalien zum Einsatz kommen, sind daher im allgemeinen nicht für eine großtechnische Realisierung geeignet.A another requirement is that it should be carried out as safely as possible, without excessive accident risk. Manufacturing processes using e.g. overly dangerous chemicals used are therefore generally not suitable for large-scale implementation.
Ein
erster Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist dementsprechend
ein Verfahren zur Herstellung eines Polyarylethersulfons der allgemeinen
Formel I wobei
n eine ganze Zahl ist, bevorzugt aus dem Bereich 10 bis 150,
und
R1 ein Fünfring-Heterocyclus
mit wenigstens einem Ring-N-Atom,
wobei
Ringatom 1 ein C-Atom ist, wenn nur ein Ring-N-Atom vorhanden ist.A first subject of the present invention is accordingly a process for the preparation of a polyarylethersulfone of the general formula I. where n is an integer, preferably from the range 10 to 150,
and R 1 is a five-membered heterocycle having at least one ring N atom,
wherein ring atom 1 is a C atom when only one ring N atom is present.
Das Verfahren weist erfindungsgemäß die folgenden Schritte auf:
- a) Bereitstellen eines Polyarylethersulfons der allgemeinen Formel II wobei n eine ganze Zahl ist, bevorzugt aus dem Bereich 10 bis 150,
- b) Halogenierung des Polyarylethersulfons der allgemeinen Formel II;
- c) Umsetzung des Produktes aus Schritt b) mit einem geeigneten Metall;
- d) Umsetzung des metallierten Produktes aus Schritt c) mit einem elektrophilen Fünfring-Heterocyclus mit wenigstens einem Ring-N-Atom, bei dem die Abgangsgruppe an einem C-Atom sitzt, wenn nur ein Ring-N-Atom vorhanden ist, um ein Polyarylethersulfon der allgemeinen Formel I zu erhalten.
- a) providing a polyarylethersulfone of the general formula II where n is an integer, preferably from the range 10 to 150,
- b) halogenation of the polyarylethersulfone of the general formula II;
- c) reaction of the product from step b) with a suitable metal;
- d) reacting the metallated product of step c) with an electrophilic five-membered heterocycle having at least one ring N atom in which the leaving group is attached to a carbon atom when only one ring N atom is present to form a polyaryl ether sulfone to obtain the general formula I.
Das oder die N-Atome können jede der Positionen 1, 2, 3, 4 und/oder 5 (vgl. Formel (I)) einnehmen. Weist der Fünfring-Heterocyclus R1 allerdings nur ein Ring-N-Atom auf, so ist Position 1 (vgl. Formel (I)) von einem C-Atom besetzt, sodass der Fünfring-Heterocyclus R1 über eine C-C-Bindung an das Polymerrückgrat gebunden ist. Der Fünfring-Heterocyclus kann auch ein oder zwei Doppelbindungen enthalten.The N atom (s) can take any of the positions 1, 2, 3, 4 and / or 5 (see formula (I)). However, if the five-membered heterocycle R 1 has only one ring N atom, then position 1 (see formula (I)) is occupied by a C atom, so that the five-membered heterocycle R 1 can be attached to the Polymer backbone is bound. The five-membered heterocycle may also contain one or two double bonds.
Der Fünfring-Heterocyclus wird über eine korrespondierende elektrophile Verbindung in Edukt II eingeführt. Als Elektrophile sind beispielsweise geeignet: Die korrespondierenden Carbonyle, halogenorganische Verbindungen, Alkohole, Thiole und dergleichen, vorzugsweise die korrespondierenden bromorganischen oder chlororganischen Verbindungen, z.B. 2-Brombenzimidazol oder 2-Chlorbenzimidazol.Of the Five-heterocyclic will over a corresponding electrophilic compound introduced in educt II. As Electrophiles are suitable, for example: the corresponding ones Carbonyls, organohalogen compounds, alcohols, thiols and the like, preferably the corresponding bromorganic or chloro-organic compounds, e.g. 2-bromobenzimidazole or 2-chlorobenzimidazole.
In Schritt c) geeignete Metalle sind beispielsweise Alkali- und Erdalkalimetalle, Metalle der zweiten Nebengruppe, insbesondere Li, Na, Mg, wobei Mg besonders bevorzugt ist (Grignard-Reaktion).In Step c) suitable metals are, for example, alkali metals and alkaline earth metals, Metals of the second subgroup, in particular Li, Na, Mg, where Mg is particularly preferred (Grignard reaction).
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Herstellung von funktionalisierten Polyarylethersulfonen im industriellen Produktionsmaßstab. Dabei kann auf Erfahrungen aus dem Bereich der Wurtz- und Wurtz-Fittig-Synthesen zurückgegriffen werden. Diese Synthesen sind schon seit langem bekannte und im großtechnischen Maßstab betriebene Verfahren, bei denen halogenorganische Verbindungen mit z.B. Na oder Mg umgesetzt werden.The inventive method allows the preparation of functionalized polyarylethersulfones in industrial production scale. It can be based on experience in the field of Wurtz and Wurtz-Fittig syntheses resorted become. These syntheses have long been known and in large-scale scale operated processes in which organohalogen compounds with e.g. Na or Mg are reacted.
Das erfindungsgemäße Verfahren kommt mit vergleichsweise kostengünstigen Chemikalien aus, kann unter milden Reaktionsbedingungen betrieben werden und erfordert keinen Einsatz von Schutzgas, sondern kann unter trockener Luft bzw. den Lösungsmitteldämpfen durchgeführt werden.The inventive method Comes with comparatively inexpensive chemicals, can operated under mild reaction conditions and requires no Use of inert gas, but under dry air or the Solvent vapor can be performed.
Ein weiterer Vorteil ist in der großen Variabilität des Verfahrens zu sehen. So müssen die Edukte keine aciden Protonen aufweisen und als Elektrophile in Schritt d) können auch Verbindungen eingesetzt werden, die sich unter den scharfen Be dingungen bei der Verwendung von lithiumorganischen Verbindungen zersetzen würden. Außerdem ist die dynamische Steuerbarkeit der Reaktion vorteilhaft. So kann gewählt werden, ob das Edukt an einem aromatischen Kern oder in einer Seitenkette funktionalisiert werden soll.On Another advantage is in the big one variability to see the procedure. So have to the starting materials have no acidic protons and as electrophiles in step d) Also compounds are used, which are among the sharp ones Conditions in the use of organolithium compounds would decompose. In addition the dynamic controllability of the reaction is advantageous. So can chosen be whether the starting material at an aromatic nucleus or in a side chain should be functionalized.
Ein weiterer Vorteil ist, dass zu keiner Zeit die Gefahr besteht, dass sich unlösliche Niederschläge und nur teilumgesetzte Produkte bilden, die sich einer weiteren Umsetzung entziehen. Damit verbunden sind natürlich, als weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens, hohe Ausbeuten.On Another advantage is that at no time there is a risk that insoluble ones rainfall and only partially converted products, which is another Remove implementation. Of course, this is associated with another advantage of the method according to the invention, high yields.
Darüber hinaus ist zu erwähnen, dass das erfindungsgemäße Verfahren mit einem wesentlich geringeren Risiko belastet ist. Alle eingesetzten Chemikalien sind verhältnismäßig stabil und reagieren nicht oder nur mäßig mit Luft. Auf das gesundheitsschädliche Lösungsmittel n-Hexan kann verzichtet werden.Furthermore is to mention that the inventive method burdened with a much lower risk. All used Chemicals are relatively stable and do not respond or only moderately with Air. On the harmful solvent n-hexane can be dispensed with.
Eine bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, das die Halogenierung, d.h. Schritt b), thermisch und unter Einwirkung eines die Reaktion beschleunigenden Katalysators durchgeführt wird. Dabei entstehen im wesentlichen kern-halogenierte Produkte ("KKK-Regel").A preferred variant of the method according to the invention provides that the halogenation, i. Step b), thermally and under action a reaction accelerating catalyst is carried out. This mainly results in nuclear-halogenated products ("KKK-Regel").
Dabei handelt es sich um Halogenierungsprodukte, bei denen wenigstens ein H-Atom der zur Sulfon-Gruppe benachbarten Phenylen-Ringe gegen ein Halogenatom ersetzt ist. Es ist aber auch möglich, dass in Abhängigkeit von den Reaktionsbedingungen (Menge des eingesetzten Halogens, Art des eingesetzten Katalysators, Reaktionsdauer usw.) auch mehrere oder auch alle H-Atome der zur Sulfon-Gruppe benachbarten Phenylen-Ringe gegen Halogenatome ersetzt sind.there these are halogenation products in which at least an H atom of the adjacent to the sulfone group phenylene rings a halogen atom is replaced. But it is also possible that in dependence from the reaction conditions (amount of the halogen used, Art the catalyst used, reaction time, etc.) also several or also all H atoms of the phenylene rings adjacent to the sulfone group replaced by halogen atoms.
Bei der Reaktion können sowohl Produkte entstehen, bei denen zur Sulfon-Gruppe ortho-ständige H-Atome ersetzt sind (ortho-Substitutionsprodukte), als auch Produkte, bei denen zur Sul fon-Gruppe meta-ständige H-Atome ersetzt sind (meta-Substitutionsprodukte). In der Praxis werden Produktgemische erhalten, die im wesentlichen das genannte ortho-Substitutionsprodukt enthalten.at the reaction can Both products are formed in which the sulfone group ortho-stationary H atoms replaced (ortho substitution products), as well as products in which the sulfone group contains meta-standing H atoms replaced (meta-substitution products). In practice, product mixtures are obtained which are substantially said ortho-substitution product contain.
Ein für das erfindungsgemäße Verfahren besonders geeigneter Katalysator ist Fe. Die Verwendung von Fe als Katalysator ist besonders vorteilhaft, insbesondere für einen großtechnischen Prozess, weil Fe billig ist, leicht verfügbar, umweltverträglich und völlig ungefährlich.On for the inventive method particularly suitable catalyst is Fe. The use of Fe as Catalyst is particularly advantageous, especially for a large-scale Process because Fe is cheap, readily available, environmentally friendly and completely dangerous.
Ein
weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind Polyarylethersulfone
der allgemeinen Formel I wobei
n eine ganze Zahl ist, bevorzugt aus dem Bereich 10 bis 150,
und
R1 ein Fünfring-Heterocyclus
mit wenigstens einem Ring-N-Atom,
wobei
Ringatom 1 ein C-Atom ist, wenn nur ein Ring-N-Atom vorhanden ist,
die
nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren erhältlich sind.Another object of the present invention are polyarylethersulfones of the general formula I. where n is an integer, preferably from the range 10 to 150,
and R 1 is a five-membered heterocycle having at least one ring N atom,
where ring atom 1 is a C atom, if only one ring N atom is present,
which are obtainable by the method described above.
Die erfindungsgemäßen Polyarylethersulfone sind thermisch und chemisch ausgesprochen stabil und weisen durch den eingeführten Fünfring-Heterocyclus mit wenigstens einem Ring-N-Atom gute Protonenleitfähigkeiten auf. Ihre Protonenleitfähigkeit ist ferner von ihrem Wassergehalt annähernd unabhängig, d.h. sie sind befeuchtungsfrei einsetzbar. Eine gute Protonenleitfähigkeit ohne Befeuchtung liegt bis zu Temperaturen oberhalb von 110°C vor, wobei Zersetzung ab etwa 130°C einsetzt. Dadurch kann der systemtechnische Aufwand, der ansonsten beim Einsatz für die Befeuchtung erforderlich wäre, erheblich reduziert oder sogar beseitigt werden.The polyarylethersulfones according to the invention are extremely stable thermally and chemically and show through the introduced Five-heterocyclic good proton conductivities with at least one ring N atom on. Your proton conductivity is also approximately independent of its water content, i. they are moistening free used. A good proton conductivity without humidification lies up to temperatures above 110 ° C before, decomposition from about 130 ° C begins. This can be the system technical effort, otherwise in use for the Humidification would be required significantly reduced or even eliminated.
Der Fünfring-Heterocyclus R1 kann über eine C-C-Bindung direkt an das Polymerrückgrad gebunden werden, ohne dass für eine gute Protonenleitfähigkeit ein Spacer zwischen R1 und dem Polymerrückgrat notwendig wäre. Dadurch vereinfacht sich das Herstellungsverfahren für einen befeuchtungsfreien Protonenleiter erheblich.The five-membered heterocycle R 1 can be bonded directly to the polymer backbone via a C-C bond without the need for a good proton conductivity, a spacer between R 1 and the polymer backbone. This considerably simplifies the production process for a humidification-free proton conductor.
Bei bevorzugten Polyarylethersulfonen handelt es sich bei dem Fünfring-Heterocyclus R1 um einen Vertreter aus der Gruppe der Azole, Azolidine, Diazone, Diazolidine, Triazole, Triazolidine, Tetrazole und Tetrazolidine, wobei das Polyarylethersulfon auch verschiedene Vertreter dieser Gruppe enthalten können. Derartige Polyarylethersulfone weisen eine besonders gute Protonenleitfähigkeit unter befeuchtungsfreien Bedingungen auf.In preferred polyarylethersulfones, the five-membered heterocycle R 1 is a member of the group of the azoles, azolidines, diazone, diazolidines, triazoles, triazolidines, tetrazoles and tetrazolidines, wherein the polyarylethersulfone may also contain various representatives of this group. Such polyarylethersulfones have a particularly good proton conductivity under humidification-free conditions.
Die vorstehend genannten Fünfring-Heterocyclen R1 können wenigstens einen Substituten R2 aufweisen, wobei wenigstens ein Ring-N-Atom unsubstituiert ist. Ein Beispiel einer derartigen Verbindung zeigt Formel III The above-mentioned five-membered heterocycles R 1 may have at least one substituent R 2 , wherein at least one ring N atom is unsubstituted. An example of such a compound is shown by Formula III
Derartige Heterocyclen können eine verbesserte thermische Stabilität und/oder verbesserte Protonenleitfähigkeit aufweisen, insbesondere unter befeuchtungsfreien Bedingungen.such Heterocycles can an improved thermal stability and / or improved proton conductivity have, especially under humid conditions.
Dabei kann der wenigstens eine Substituent ein die Protonenleitfähigkeit, insbesondere unter befeuchtungsfreien Bedingungen, verbessernder Substituent sein, vorzugsweise eine Aminogruppe, insbesondere -NH2. Ferner kann der wenigstens eine Substituent ein anellierter Aromat sein, vorzugsweise ein Benzolring, wodurch die thermische Stabilität des Polyarylethersulfons verbessert sein kann. Beispiele derartiger Verbindungen zeigen die Formeln IV und V In this case, the at least one substituent may be a substituent which improves the proton conductivity, in particular under humidification-free conditions, preferably an amino group, in particular -NH 2 . Further, the at least one substituent may be a fused aromatic, preferably a benzene ring, whereby the thermal stability of the polyarylethersulfone may be improved. Examples of such compounds are shown by Formulas IV and V
Der anellierte Aromat kann seinerseits wenigstens einen Substituenten tragen, der vorzugsweise die Protonenleitfähigkeit unter befeuchtungsfreien Bedingungen verbessert, insbesondere eine Aminogruppe. Ein Beispiel einer derartigen Verbindung zeigt Formel VI In turn, the fused aromatic may carry at least one substituent which preferably enhances proton conductivity under humidification-free conditions, especially an amino group. An example of such a compound is shown by Formula VI
Es ist vorteilhaft, wenn die erfindungsgemäßen Polyarylethersulfone einen Substitutionsgrad im Bereich von 20 bis 200 mol-% aufweisen, vorzugsweise im Bereich von 80 bis 150 mol-% und insbesondere im Bereich von 100 bis 120 mol-%. Polyarylethersulfone dieser Art sind einerseits gut löslich und weisen andererseits eine vorteilhaft hohe Basizität auf.It is advantageous if the inventive polyarylethersulfone a Substitution degree in the range of 20 to 200 mol%, preferably in the range of 80 to 150 mol% and in particular in the range of 100 to 120 mol%. Polyarylethersulfone of this type are on the one hand good soluble and on the other hand have an advantageously high basicity.
Ein
dritter Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung
von Polyarylethersulfonen der allgemeinen Formel I wobei
n eine ganze Zahl ist, bevorzugt aus dem Bereich 10 bis 150,
und
R1 ein Fünfring-Heterocyclus
mit wenigstens einem Ring-N-Atom,
wobei
Ringatom 1 ein C-Atom ist, wenn nur ein Ring-N-Atom vorhanden ist,
die
nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren erhältlich sind,
in Elektrolyten,
Ionenaustauschern, katalytisch aktiven Substanzen, Polymerblends
und/oder neuen Werkstoffen.A third object of the present invention is the use of polyarylethersulfones of the general formula I. where n is an integer, preferably from the range 10 to 150,
and R 1 is a five-membered heterocycle having at least one ring N atom,
where ring atom 1 is a C atom, if only one ring N atom is present,
obtainable by the method described above,
in electrolytes, ion exchangers, catalytically active substances, polymer blends and / or new materials.
Mit besonderem Vorteil können die oben genannten Polyarylethersulfone für Membranen verwendet werden, vorzugsweise für Polymerelektrolytmembranen (PEM), insbesondere für PEM für Brennstoffzellen. Derartige Membranen besitzen gute thermische und mechanische Eigenschaften, wie z.B. hohe mechanische Stabilität und Wärmebeständigkeit, und gleichzeitig gute Protonenleitfähigkeiten, insbesondere unter befeuchtungsfreien Bedingungen. Die Membranen sind ferner in kochendem Wasser gut beständig. Sie sind damit insbesondere für den Einsatz in Brennstoffzellen geeignet.With particular advantage can the above-mentioned polyarylethersulfones are used for membranes, preferably for Polymer electrolyte membranes (PEM), in particular for PEM for fuel cells. such Membranes have good thermal and mechanical properties, such as. high mechanical stability and heat resistance, and at the same time good proton conductivities, especially under humid conditions. The membranes are also good in boiling water. They are special with that for the Use in fuel cells suitable.
Die vorliegende Erfindung wird anhand der nachfolgend beschriebenen Figur näher erläutert. Die Figur zeigt die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens, ausgehend vom Polyarylethersulfon UDEL® (1).The present invention will be explained in more detail with reference to the figure described below. The figure shows the steps of the inventive method, starting from the polyaryl ether sulfone UDEL ® (1).
Die Synthese geht aus von dem Polyarylethersulfon UDEL® (1) (Firma BPAmoco). (1) wird in an sich bekannter Weise thermisch/katalytisch bromiert. Dabei entsteht im wesentlichen das an einem Phenylenring ortho-ständig zur Sulfon-Gruppe bromierte Zwischenprodukt (2). Das Zwischenprodukt (2) wird anschließend in THF zuerst mit Mg umgesetzt und dann mit einer halogenorganischen Verbindung als Elektrophil, in diesem Beispiel 2-Chlorbenzimidazol (3), wobei im wesentlichen das am Phenylenring in ortho-Position zur Sulfon-Gruppe funktionalisierte Polyarylethersulfon (4) entsteht.The synthesis starts from the polyarylethersulfone UDEL ® (1) (company BPAmoco). (1) is thermally / catalytically brominated in a conventional manner. Essentially, the intermediate (2) brominated ortho to the sulfone group on a phenylene ring is formed. The intermediate (2) is subsequently reacted in THF first with Mg and then with an organohalogen compound as electrophile, in this example, 2-chlorobenzimidazole (3), wherein substantially the polyarylethersulfone (4) functionalized on the phenylene ring in ortho position to the sulfone group.
Für die Reaktionen wurde ein Polyarylethersulfon UDEL® (1) eingesetzt – im folgenden kurz mit PAES bezeichnet. Das PAES ist von der Firma BPAmoco erhältlich. Vor seinem Einsatz wurde das PAES 8 h am Hochvakuum bei 130°C getrocknet. Als Elektrophil wurde 2-Chlorbenzimidazol (3) eingesetzt. Die Lösungsmittel THF (Tetrahydrofuran) und Diethylether wurden durch Kochen über Na/Benzophenon und anschließendem Abdestillieren getrocknet. CHCl3 wurde über CaCl2 getrocknet und dann abdestilliert. Mg, Br2 und Salzsäure wurden von der Firma Merck bezogen und ohne weitere Vorbehandlung eingesetzt. 2-Chlorbenzimidazol (3) wurde von der Firma ABCR GmbH bezogen und ohne weitere Vorbehandlung eingesetzt.For the reactions, a polyaryl ether sulfone UDEL ® (1) was used - hereinafter referred to as PAES. The PAES is available from BPAmoco. Before use, the PAES was dried in a high vacuum at 130 ° C. for 8 h. The electrophile used was 2-chlorobenzimidazole (3). The solvents THF (tetrahydrofuran) and diethyl ether were dried by boiling over Na / benzophenone and then distilling off. CHCl 3 was dried over CaCl 2 and then distilled off. Mg, Br 2 and hydrochloric acid were purchased from Merck and used without further pretreatment. 2-Chlorobenzimidazole (3) was purchased from ABCR GmbH and used without further pretreatment.
1. Thermisch-katalytische Bromierung:1. Thermal-catalytic bromination:
Das PAES (1) (50 g; 0,113 mol) wurde in 500 ml CHCl3 gelöst und mit 225 g Fe-Pulver versetzt. Dazu wurde innerhalb 1 h unter Rühren bei Raumtemperatur Br2 (6,15 cm3; 0,12 mol) getropft. Nach beendeter Zugabe wurde noch 2 h bei Raumtemperatur weiter gerührt. Das Reaktionsprodukt wurde unter Kühlung auskristallisiert, mit wässriger Na2CO3-Lösung und nachfolgend mit Wasser gewaschen und anschließend einmal umkristallisiert. Die Ausbeute lag bei 70% d.Th. (41,3 g; 0,079 mol) an kernbromiertem PAES (2).The PAES (1) (50 g, 0.113 mol) was dissolved in 500 mL of CHCl 3 and treated with 225 g of Fe powder. For this purpose, Br 2 (6.15 cm 3 , 0.12 mol) was added dropwise within 1 h with stirring at room temperature. After completion of the addition, stirring was continued for 2 h at room temperature. The reaction product was crystallized out with cooling, washed with aqueous Na 2 CO 3 solution and subsequently with water and then recrystallized once. The yield was 70% of theory. (41.3 g, 0.079 mol) of nuclear-brominated PAES (2).
2. Grignardierung und Grignard-Reaktion:2nd Grignard and Grignard reaction:
0,079 mol Mg-Späne wurden in 50 ml THF vorgelegt und unter Rühren mit 2 g des bromierten PAES (2) versetzt. Das restliche PAES (2) wurde in 100 mL THF gelöst. Nach Anspringen der Reaktion wurde die Lösung von bromiertem PAES (2) in THF unter Rühren zugetropft. Nach beendetem Zutropfen wurde die Reaktionsmischung noch 1 h am Rückfluss gekocht.0.079 mol of Mg shavings were placed in 50 ml of THF and stirred with 2 g of the brominated PAES (2) offset. The remaining PAES (2) was dissolved in 100 mL of THF. After Initiation of the reaction was the solution of brominated PAES (2) in THF with stirring dropwise. After the completion of the dropping, the reaction mixture became another 1 h at reflux cooked.
Anschließend wurde 0,079 mol (12,1 g) 2-Chlorbenzimidazol (3) in 50 ml THF gelöst und unter Rühren zur oben erhaltenen Re aktionsmischung zugetropft. Nach beendetem Zutropfen wurde die Reaktionsmischung noch 3 h am Rückfluss gekocht. Danach wurde das THF durch Diethylether ersetzt. Die Aufarbeitung erfolgte durch Hydrolyse mit Eis, Neutralisation mit halbkonzentrierter Salzsäure, Extraktion mit Diethylether, Waschen der etherischen Phase mit Wasser, Trocknen der etherischen Phase mit Na2SO4, Auskristallisation unter Kühlung und einmaligem Umkristallisieren. (4) fiel dabei als ein annähernd farbloses, mikrokristallines Pulver an. Die Ausbeute lag bei etwa 72% d.Th. (31,8 g; 0,057 mol).Subsequently, 0.079 mol (12.1 g) of 2-chlorobenzimidazole (3) was dissolved in 50 ml of THF and added dropwise with stirring to the reaction mixture obtained above. After completion of the dropwise addition, the reaction mixture was boiled for 3 h at reflux. Thereafter, the THF was replaced by diethyl ether. The workup was carried out by hydrolysis with ice, neutralization with half-concentrated hydrochloric acid, extraction with diethyl ether, washing the ethereal phase with water, drying the ethereal phase with Na 2 SO 4 , crystallization with cooling and recrystallization once. (4) was an almost colorless, microcrystalline powder. The yield was about 72% of theory (31.8 g, 0.057 mol).
Die oben beschriebenen Ansätze sind problemlos vergrößerbar. Die eingesetzten Chemikalien sind billig und weitgehend ungefährlich. Die erforderlichen Temperaturen liegen in üblichen, leicht beherrschbaren Bereichen, insbesondere Maßnahmen zur Kühlung, z.B. auf Temperaturen weit unterhalb von 0°C, sind nicht erforderlich, auch nicht beim Eintropfen an der Eintropfstelle. Ein Ausfallen schwer löslicher Zwischenprodukte wird nicht beobachtet. Der Einsatz von Schutzgas ist nicht erforderlich; trockene Luft oder die Lösungsmitteldämpfe ist ausreichend. Ein Up-Scaling bis hin zum Produktionsmaßstab, z.B. 1 t pro Jahr oder mehr, scheint ohne weiteres möglich. Angesichts dessen ist das erfindungsgemäße Verfahren für eine großtechnische Produktion gut geeignet.The approaches described above are easily enlarged. The chemicals used are cheap and largely harmless. The required temperatures are in usual, easy to control areas, especially measures for cooling, e.g. at temperatures well below 0 ° C, are not required also not when dripping at the dropping point. A fail hardly soluble Intermediates are not observed. The use of inert gas not necessary; dry air or the solvent vapors sufficient. Up-scaling up to production scale, e.g. 1 t per year or more, seems readily possible. In the face of that is the inventive method for one large-scale Production well suited.
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