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Renewable imidazolium zwitterions as platform molecules for the synthesis of ionic liquids and materials

Neue funktionalisierte Imidazoliumverbindungen als Bausteinmoleküle aus Biomasse und ihre Verwendung zur Synthese von ionischen Flüssigkeiten und Materialien

  • Following the principles of green chemistry, a simple and efficient synthesis of functionalised imidazolium zwitterionic compounds from renewable resources was developed based on a modified one-pot Debus-Radziszewski reaction. The combination of different carbohydrate-derived 1,2-dicarbonyl compounds and amino acids is a simple way to modulate the properties and introduce different functionalities. A representative compound was assessed as an acid catalyst, and converted into acidic ionic liquids by reaction with several strong acids. The reactivity of the double carboxylic functionality was explored by esterification with long and short chain alcohols, as well as functionalised amines, which led to the straightforward formation of surfactant-like molecules or bifunctional esters and amides. One of these di-esters is currently being investigated for the synthesis of poly(ionic liquids). The functionalisation of cellulose with one of the bifunctional esters was investigated and preliminary tests employing it for the functionalisationFollowing the principles of green chemistry, a simple and efficient synthesis of functionalised imidazolium zwitterionic compounds from renewable resources was developed based on a modified one-pot Debus-Radziszewski reaction. The combination of different carbohydrate-derived 1,2-dicarbonyl compounds and amino acids is a simple way to modulate the properties and introduce different functionalities. A representative compound was assessed as an acid catalyst, and converted into acidic ionic liquids by reaction with several strong acids. The reactivity of the double carboxylic functionality was explored by esterification with long and short chain alcohols, as well as functionalised amines, which led to the straightforward formation of surfactant-like molecules or bifunctional esters and amides. One of these di-esters is currently being investigated for the synthesis of poly(ionic liquids). The functionalisation of cellulose with one of the bifunctional esters was investigated and preliminary tests employing it for the functionalisation of filter papers were carried out successfully. The imidazolium zwitterions were converted into ionic liquids via hydrothermal decarboxylation in flow, a benign and scalable technique. This method provides access to imidazolium ionic liquids via a simple and sustainable methodology, whilst completely avoiding contamination with halide salts. Different ionic liquids can be generated depending on the functionality contained in the ImZw precursor. Two alanine-derived ionic liquids were assessed for their physicochemical properties and applications as solvents for the dissolution of cellulose and the Heck coupling.show moreshow less
  • In dieser Arbeit wurden, den Prinzipien der nachhaltigen Chemie folgend, neue funktionalisierte Imidazolium-Verbindungen aus Biomasse hergestellt. Diese wurden als Plattformmoleküle verwendet, die durch einfache Derivation in verschiedene andere Verbindungen überführt, und als Bausteine für die Herstellung von Materialien genutzt werden können. Imidazolium Zwitterionen (ImZw) wurden in Eintopfreaktionen in Wasser dargestellt, wobei alle Ausgangsstoffe auf nachwachsenden Rohstoffen basierten Durch die Verwendung von Aminosaeuren wurden die ImZw durch die Wahl der verschiedenen Seitenketten direkt funktionalisiert. Die Säureeigenschaften der Moleküle wurden bestimmt und ihre Eignung als Katalysatoren überprüft. An einer Modellverbindung ewurden verschiedene Modifikationen der Carboxylgruppen unternommen, u.a. wurde es mit verschiedenen Alkoholen esterifiziert, und anfolgend auch mit verschiedenen Aminen amidiert. Eines von den esterifizierten ImZw wurde als Monomer für die Synthese einer komplett aus nachwachsenden RohstoffenIn dieser Arbeit wurden, den Prinzipien der nachhaltigen Chemie folgend, neue funktionalisierte Imidazolium-Verbindungen aus Biomasse hergestellt. Diese wurden als Plattformmoleküle verwendet, die durch einfache Derivation in verschiedene andere Verbindungen überführt, und als Bausteine für die Herstellung von Materialien genutzt werden können. Imidazolium Zwitterionen (ImZw) wurden in Eintopfreaktionen in Wasser dargestellt, wobei alle Ausgangsstoffe auf nachwachsenden Rohstoffen basierten Durch die Verwendung von Aminosaeuren wurden die ImZw durch die Wahl der verschiedenen Seitenketten direkt funktionalisiert. Die Säureeigenschaften der Moleküle wurden bestimmt und ihre Eignung als Katalysatoren überprüft. An einer Modellverbindung ewurden verschiedene Modifikationen der Carboxylgruppen unternommen, u.a. wurde es mit verschiedenen Alkoholen esterifiziert, und anfolgend auch mit verschiedenen Aminen amidiert. Eines von den esterifizierten ImZw wurde als Monomer für die Synthese einer komplett aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellten polyionischen Flüssigkeit verwendet, sowie für die Funktionalisierung von Cellulosefasern und Filterpapieren. Des weiteren wurden die ImZw unter hydrothermalen Bedingungen in der Gegenwart von Essigsäure decarboxyliert und so in ionische Flüssigkeiten überführt. Diese Reaktionen wurden in einem Durchflußreaktor durchgeführt, der gegenüber anderen Synthesemethoden weniger Energie verwendet. Die so hergestellten ionischen Flüssigkeiten wurden in zwei Anwendungen getestet, wo sie sehr vielversprechende Ergebnisse zeigten. Eine wurde als Lösungsmittel in einer Heck Reaktion verwendet, wo der Pd-Katalysator 5 mal ohne Aktivitätsverlust recycelt werden konnte eine andere konnte einen hohe Menge an Cellulose (16.9 wt%) lösen.show moreshow less

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Metadaten
Author:Sarah Kirchhecker
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus4-77412
Advisor:Markus Antonietti
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2014
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2015/03/20
Release Date:2015/06/09
Tag:Imidazolium; Zwitterionen; ionische Flüssigkeiten; nachhaltige Chemie; nachwachsende Rohstoffe
green chemistry; hydrothermal; imidazolium; ionic liquids; platform chemicals; renewables
Pagenumber:136
RVK - Regensburg Classification:VK 5070, VN 9207, VK 5507
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Chemie
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 54 Chemie / 540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
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