Technischer Zusammenhang der Erfindung Unter ionischen Flüssigkeiten versteht man allgemein Salze oder Gemische aus Salzen, deren Schmelzpunkte unterhalb 100°C liegen (P.

Wasserscheid, W. Keim, Angew. Chem. 2001, 112, 3926).

Literaturbekannte Salze dieser Art bestehen aus Anionen wie z. B.

Halogenostannaten, Halogenoaluminaten, Hexafluorophosphaten oder Tetrafluoroboraten kombiniert mit substituierten Ammonium-, Phosphonium, Pyridinium-oder Imidazolium-Kationen. Mehrere Veröffentlichungen beschreiben bereits die Verwendung ionischer Flüssigkeiten als Lösungsmittel für chemische Reaktionen (T. Welton, Chem. Rev. 1999,99, 2071, P. Wasserscheid, W. Keim, Angew. Chem., 2000, 112, 3926). Beispielsweise wurden Hydrierungen von Olefinen mit Rhodium (I) ) (P. A. Z. Suarez, 3. E. L. Dullius, S. Einloft, R. F. de Souza und J. Dupont, Polyhedron 15/7, 1996,1217-1219), Ruthenium (II) und Cobalt (II) komplexen (P. A. Z. Suarez, J. E. L. Dullius, S. Einloft, R. F. de Souza und J. Dupont, Inorganic Chimica Acta 255, 1997,207-209) in ionischen Flüssigkeiten mit Tetrafluoroborat-Anion erfolgreich durchgeführt. Auch die Hydröformylierung von funktionalisierten und unfunktionalisierten Olefinen gelingt mit Rhodium-Katalysatoren in ionischen Flüssigkeiten mit schwach koordinierenden Anionen (z. B. PF6-, Bof4) (Y. Chauvin, L. Mussmann, H. Olivier, European Patent, EP 776880, 1997 ; Y. Chauvin, L. Mussmann, H. Olivier, Angew. Chem,, Int, Ed. Engl., 1995, 34, 2698 ; W. Keim, D. Vogt, H. Waffenschmidt, P. Wasserscheid, J. of Cat., 1999, 186, 481).

Weitere wichtige Einsatzfelder ionischer Flüssigkeiten liegen in ihrer Verwendung als Extraktionsmittel zur Stofftrennung (J. G. Huddleston, H.

D. Willauer, R. P. Swatloski, A. E. Visser, R. D. Rogers, Chem. Commun.

1998,1765-1766 ; b) A. E. Visser, R. P. Swatlowski, R. D. Rogers, Green Chemistry 2000, 2 (1), 1-4) und in ihrer Verwendung als Wärmeträger (M.

L. Mutch, J. S. Wilkes, Proceedings of the Eleventh International Symposium on Molten Salts, P. C. Trulove, H. C. De Long, G. R. Stafford and S. Deki (Hrsg. ), Proceedings Volume 98-11, The Electrochemical Society, Inc, Pennington, NJ ; 1998, S. 254).

Hintergrund und Problemstellung Auch wenn die Definition für ionische Flüssigkeit auch solche Salze einschließt, deren Schmelzpunkte zwischen Raumtemperatur und 100°C liegen, so ist es doch für viele Anwendungen erforderlich oder wünschenswert, daß die ionischen Flüssigkeiten bereits bei Temperaturen unterhalb von Raumtemperatur flüssig sind.

Zahlreiche Beispiele für solche ionischen Flüssigkeiten sind bekannt, allerdings besitzen diese Systeme in der Regel Halogenidionen wie F-, Cl-, Br oder I-oder solche Anionen, die Halogenatome enthalten. Typische Vertreter der letztgenannten Anionen sind-ohne Anspruch auf Vollständigkeit- [BF4]-, [PF6]-, [CF3C00]-, [CF3S03]-, [(CF3S02) 2N]-, [AIC141-, [AI2CI7]-oder [SnCl3]-. Die Verwendung solcher Halogenatom- haltigen Anionen hat gravierende Einschränkungen für die Anwendbarkeit der entsprechenden ionischen Flüssigkeit zur Folge : a) Die Verwendung dieser Anionen führt zu erheblichen Kosten, da selbst die Alkalisalze dieser Ionen bereits sehr teuer sind ; b) Hydrolyseprodukte der Halogenatom- haltigen Anionen führen zu erheblicher Korrosion in Stahl-und z. T. auch Glasreaktoren ; c) Die thermische Entsorgung einer"verbrauchten" ionischen Flüssigkeit mit Halogenatom-haltigen Anionen verursacht in der Regel Korrosions-und Umweltprobleme und ist daher kostspielig. Die Entsorgung über den Abbau in einer biologischen Kläranlage wird ebenfalls durch die Anwesenheit von Halogenatom-haltigen Anionen erschwert.

Generell sind daher Halogenatom-freie ionische Flüssigkeiten von besonderem technischem Interesse, die folgende fünf Eigenschaften kombinieren : a) Schmelzpunkt bzw. Glaspunkt von unter 25 °C ; b) hydrolysestabil in neutraler wäßriger Lösung (pH = 7) bis 80 °C ; c) thermisch zu entsorgen, ohne Bildung problematischer Verbrennungsgase d) in biologischen Kläranlage abbaubar. e) Anion als Alkalisalz kommerziell kostengünstig erhältlich.

Unter den nach dem Stand der Technik bekannten Halogenatom-freien ionischen Flüssigkeiten gibt es bisher keine Vertreter, der dieses komplexe technische Anforderungsprofil erfüllen kann. So sind Nitrat-, Nitrit-, Sulfat (J. S. Wilkes, M. J. Zaworotko, J. Chem. Soc. Chem. Commun. 1992, 965) und Benzolsulfonatschmelzen (H. Waffenschmidt, Dissertation, RWTH Aachen 2000) zwar bekannt, diese ionischen Flüssigkeiten besitzen aber Schmelzpunkte über Raumtemperatur. Hydrogensulfate und Hydrogenphosphate reagieren in wäßriger Lösung unter Abspaltung eines oder mehrerer Protonen und bilden saure wäßrige Lösungen. Methylsulfat und Ethylsulfatschmeizen zeigen bereits nach 1h bei 80°C in wässriger Lösung deutliche Hydrolyse unter Bildung von Hydrogensulfatanionen und dem entsprechenden Alkohol (siehe auch Vergleichsbeispiele 1 und 2).

Unsere Erfindung als Problemlösung Unsere Erfindung beruht auf der überraschenden Feststellung, daß ionische Flüssigkeiten, die aus einer Kombination eines geeigneten organischen Kations-wobei Imidazolium-, Pyridinium-, Phosphonium- oder Ammoniumkationen besonders geeignete Beispiele sind-mit Anionen der allgemeinen Formel [R-S04] bestehen-wobei R ein linearer oder verzweigter, gesättigter oder ungesättigter, aliphatischer oder alicyclischer, funktionalisierter oder unfunktionalisierter Alkylrest mit 3-36 Kohlenstoffatomen darstellt-sich genau durch die bereits erwähnte, hochinteressante und technisch relevante Eigenschaftskombination auszeichnen : Die neuartigen ionischen Flüssigkeiten gemäß dieser Erfindung weisen zum einen Schmelzpunkte bzw. Glaspunkt von unter 25 °C auf, sie sind ferner hydrolysestabil in neutraler wäßriger Lösung (pH = 7) bis 80 °C. Außerdem sind die ionischen Flüssigkeiten gemäß dieser Erfindung unproblematisch thermisch zu entsorgen, da bei ihrer Verbrennung lediglich C02, H20 und S02 gebildet wird. Ein weiterer wesentlicher Vorteil der neuartigen ionischen Flüssigkeiten gemäß dieser Erfindung stellt die Tatsache dar, daß viele Alkalisalze der allgemeinen Formel [Alkalikation] [R-S04]-wobei R ein linearer oder verzweigter, funktionalisierter oder unfunktionalisierter, gesättigter oder ungesättigter, aliphatischer oder alicyclischer Alkylrest mit 3-36 Kohlenstoffatomen darstellt-technisch leicht verfügbare Rohstoffe für Waschmittel und für Produkte im Bereich der Kosmetik und Reinigungsmittel sind. Daraus resultiert ein außerordentlich guter Kenntnisstand über die toxikologischen Eigenschaften und das biologische Abbauverhalten der Anionkomponente [RS043. Daraus folgt, daß die Entsorgung der in technischen Anwendungen"verbrauchten"ionischen Flüssigkeiten gemäß dieser Erfindung in biologischen Kläranlagen unproblematisch vollzogen werden kann.

Die technisch hochinteressante Kombination dieser fünf Eigenschaften zeichnet die neuartigen ionischen Flüssigkeiten gemäß dieser Erfindung als ideale Lösungsmitteln bzw. Lösungsmittelzusätze für stoichiometrische oder katalytische chemische Umsetzungen sowie für ihre Anwendungen als Extraktionsmittel und als Wärmeträger aus.

Besonders bevorzugt lassen sich auch solche ionische Flüssigkeiten gemäß dieser Erfindung herstellen und verwenden, die Gemische von unterschiedlichen Anionen der allgemeinen Formel [RS04] enthalten- wobei R ein linearer oder verzweigter, gesättigter oder ungesättigter, aliphatischer oder alicyclischer, funktionalisierter oder unfunktionalisierter Alkylrest mit 3-36 Kohlenstoffatomen darstellt. Diese Systeme lassen sich leicht aus den Gemischen der entsprechenden Alkalisalze erhalten, die technisch verfügbar sind.

Explizit erwähnt seien folgende neuartige ionische Flüssigkeiten gemäß dieser Erfindung sowie ihre Gemische : <BR> <BR> 1-Ethyl-3-methylimidazolium butylsulfat<BR> 1-Ethyl-3-methylimidazolium octylsulfat 1-Ethyl-3-methylimidazolium 2-ethylhexylsulfat 1-Ethyl-3-methylimidazolium dodecylsulfat<BR> 1-Butyl-3-methylimidazolium butylsulfat 1-Butyl-3-methylimidazolium octylsulfat 1-Butyl-3-methylimidazolium 2-ethylhexylsulfat<BR> 1-Butyl-3-methylimidazolium dodecylsulfat<BR> 1-Hexyl-3-methylimidazolium butylsulfat 1-Hexyl-3-methylimidazolium octylsulfat 1-Hexyl-3-methylimidazolium 2-ethylhexylsulfat<BR> 1-Hexyl-3-methylimidazolium dodecylsulfat<BR> 1-Octyl-3-methylimidazolium butylsulfat 1-Octyl-3-methylimidazolium octylsulfat 1-Octyl-3-methylimidazolium 2-ethylhexylsulfat 1-Octyl-3-methylimidazolium dodecylsulfat 1-Decyl-3-methylimidazolium butylsulfat 1-Decyl-3-methylimidazolium octylsulfat 1-Decyl-3-methylimidazolium 2-ethylhexylsulfat 1-Decyl-3-methylimidazolium dodecylsulfat 1-Dodecyl-3-methylimidazolium butylsulfat 1-Dodecyl-3-methylimidazolium octylsulfat 1-Dodecyl-3-methylimidazolium 2-ethylhexylsulfat 1-Dodecyl-3-methylimidazolium dodecylsulfat <BR> <BR> <BR> <BR> 1-Dodecyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborat<BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> 1-Butyl-pyridinium butylsulfat<BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> 1-Butyl-pyridinium octylsulfat 1-Butyl-pyridinium 2-ethylhexylsulfat 1-Butyl-pyridinium dodecylsulfat Trimethyldecylammonium butylsulfat Trimethyldecylammonium octylsulfat Trimethyldecylammonium 2-ethylhexylsulfat Trimethyldecylammonium dodecylsulfat Trioctylmethylammonium butylsulfat Trioctylmethylammonium octylsulfat Trioctylmethylammonium 2-ethylhexylsulfat Trioctylmethylammonium dodecylsulfat Trimethyldecylammonium butylsulfat Trimethyldecylammonium octylsulfat Trihexyltetradecylphosphonium butylsulfat Trihexyltetradecylphosphonium octylsulfat <BR> <BR> <BR> <BR> Trihexyltetradecylphosphonium 2-ethylhexylsulfat Trihexyltetradecylphosphonium dodecylsulfat Beispiele Beispiel 1 : 1, 3-Dimethylimidazoliumoctylsulfat ([MMIM] [OcSO4]) Synthese : Zu einer Lösung von 47.18 g (355.8 mmol) 1,3- Dimethylimidazoliumchlorid ( [MMIM] CI) in 400 ml absolutiertem Methylenchlorid werden 95.00 g (355.8 mmol min. ) Natriumoctylsulfat (technische Qualität ; Gehalt 2 87%) in kleinen Portionen gegeben. Der Ansatz wird 40 Stunden unter Schutzgas gerührt. Der Feststoff wird abfiltriert und mit Methylenchlorid gewaschen. Einengen der organischen Phasen und Trocknen im Hochvakuum liefert 87.55 g [MMIM] [OcSO4] (285.7 mmol ; 80% der theoretischen Ausbeute) in Form einer gelblichen Flüssigkeit.

NMR : 1H-NMR (300 MHz, d6-DMSO) : 6 = 8.87 (s, 1H, N-CH-N), 7.45, 7.44 (je ein s, je tH, N-CH), 3.87 (mult., 8H, N-CH3, S-O-CH2-), 1.57 (mult., 2H, S-0-CHz-CH2-), 1.29 (k. B., 10H, S-O-CH2-CH2-CH2-(CH2)5-), 0.89 (t, J=6. 6 Hz, 3H,-CH2-CH3) ppm.

13C-NMR (75 MHz, d6-DMSO): # = 136.7, 122. 8,116. 8,35. 1,30. 9,28. 7, 28.4, 25.1, 21.7, 12.8 ppm.

Viskosität Das Produkt zeigt Strukturviskosität. Die Viskosität ist stark abhängig von den Meßbedingungen.

Beispiel 2 : 1-n-Butyl-3-methylimidazoliumoctylsulfat ([BMIM] [OCSO4]) Darstellung In 200 ml heißem Wasser werden 84.55 g (0.484 mol) 1-Butyl-3- methylimidazoliumchlorid (BMIM Cl) und 101. 1 g (0.379 mol min.) Natriumoctylsulfat (technische Qualität ; Gehalt > 87%) gelöst. Das Wasser wird im Vakuum langsam entfernt. Der entstandene Feststoff wird nach Lösen des Ansatzes in Methylenchlorid abfiltriert. Das Filtrat wird mit Wasser gewaschen bis die wäßrige Phase farblos und chloridfrei ist. Die organische Phase wird über Na2S04 getrocknet. Einengen und Trocknen im Hochvakuum liefert 111.0 g (0.319 mmol ; 73% der theoretischen Ausbeute bezogen auf Natriumoctylsulfat) einer öligen, gelben Flüssigkeit.

NMR 1H-NMR (300 MHz, d6-DMSO) : 8 = 9.16 (s, 1H, N-CH-N), 7.80, 7.72 (je s, je 1H, N-CH), 4.18 (t, 3J=7. 1 Hz, 2H, N-CH2-), 3.86 (s, 3H, N-CH3), 3.71 (t, 33=6. 6 Hz, 2H, S-O-CH2), 3. 71 (p, 3J=7. 3 Hz, 2H, N-CH2-CH2-), 1. 47 (k. B., 2H, N-CH2-CH2-CH2-), 1.22 (mult., 12H, S-O-CH2- (CH2) 6-), 0. 81- 0.90 (je tr, je 3H,-CH3) ppm.

13C-NMR (75 MHz, d6-DMSO): # = 136. 9, 123. 9,122. 6,66. 0,55. 2, 48.8, 36.0, 31. 8,31. 6,29. 4,29. 1,25. 9, 22. 4,19. 1,14. 2,13. 5 ppm.

Viskosität rl (20°C) =711 cP Beispiel 3: 1-n-Butyl-3-methylimidazoliumlaurylsulfat ([BMIM] [Ci2H25S04]) Synthese : In 50 ml heißem Wasser werden 15.30 g (87.6 mmol) 1-n-Butyl-3- methylimidazoliumchlorid (BMIM CI) und 26.60 g (87.6 mmol min. ) Natriumlaurylsulfat (technische Qualität, Gehalt 95-99%) gelöst. Das Wasser wird im Vakuum langsam entfernt. Der entstandene Feststoff wird nach Versetzen des Ansatzes mit Methylenchlorid abfiltriert. Das Filtrat wird mit Wasser gewaschen bis die wäßrige Phase farblos und chloridfrei ist. Die organische Phase wird über Na2S04 getrocknet. Einengen und Trocknen im Hochvakuum liefert 33.40 g Produkt (82.5 mmol ; 94% der theoretischen Ausbeute bezogen auf BMIM Cl), das als weißer beigefarbener, wachsartiger Feststoff anfällt.

Schmelzpunkt : 44-45°C NMR : 1H-NMR (300 MHz, CD3CN) : 8 = 8.76 (s, 1H, N-CH-N), 7.43, 7.40 (zwei s, je lH, N-CH3), 4.17 (t, 3=7. 3 Hz, 2H, N-CH2), 3.87 (s, 3H, N-CH3), 3.83 (t, J=6. 6 Hz, 2H, S-O-CH2-), 1.84 (mult, 2H, N-CH2-CH2-), 1. 58 (mult.

2H, S-O-CH2-CH2-), 1.40-1. 25 (mult., 20H, S-O-CH2-CH2- (CHZ) 9- ; N-CH2- CH2-CH2-), 1.00-0. 85 (t, je 3H,-CH3) ppm.

13C-NMR (75 MHz, CD3CN) : 6 = 136.2, 123. 3, 121. 9,65. 9,48. 9-48. 7, 35. 4, 31.3, 29. 1-28. 7,25. 5, 22. 1, 18.6, 13. 1, 12.4 ppm.

Hydrolyseversuche Beispiel 4 : Hydrolyseversuch mit 1-n-Butyl-3- methylimidazoliumoctylsulfat ([BMIM] [C8Ht7SO4]) 5 g der ionischen Flüssigkeit 1-n-Butyl-3-methylimidazoliumoctylsulfat ([BMIM] [C8H17SO4]) werden mit 5 ml Wasser versetzt und auf 80 °C erhitzt. Im Abstand von 10 min werden Proben aus der Reaktionslösung genommen und pH-Messungen durchgeführt. Auch nach 2h bei 80°C ist die Reaktionslösung pH-neutral, was darauf schließen läßt, daß unter diesen Reaktionsbedingungen keine hydrolytische Zersetzung der ionischen Flüssigkeit auftritt.

Vergleichsbeispiel 1 : Hydrolyseversuch mit 1-n-Butyl-3- methylimidazoliummethylsulfat ([BMIM] [CH3SO4]) 5 g der ionischen Flüssigkeit 1-n-Butyl-3-methylimidazoliummethylsulfat ( [BMIM] [CH3S04]) werden mit 5 mi Wasser versetzt und auf 80 °C erhitzt. Im Abstand von 10 min werden Proben aus der Reaktionslösung genommen und pH-Messungen durchgeführt. Bereits ab der ersten Messung zeigt ein rasches Absinken des pH-Werts bis auf pH 1-2. Dies läßt darauf schließen, daß unter diesen Reaktionsbedingungen eine hydrolytische Zersetzung der ionischen Flüssigkeit auftritt. Dabei wird Methanol und das saure Hydrogensulfatanion freigesetzt.

Vergleichsbeispiel 2 : Hydrolyseversuch mit 1-Ethyl-3- methylimidazoliumethylsulfat ([EMIM] [C2HsSO4J) 5 g der ionischen Flüssigkeit 1-Ethyl-3-methylimidazoliumethylsulfat ([EMIM] [C2H5SO4]) werden mit 5 ml Wasser versetzt und auf 80 °C erhitzt. Im Abstand von 10 min werden Proben aus der Reaktionslösung genommen und pH-Messungen durchgeführt. Bereits ab der ersten Messung zeigt ein rasches Absinken des pH-Werts bis auf pH 1-2. Dies läßt darauf schließen, daß unter diesen Reaktionsbedingungen eine hydrolytische Zersetzung der ionischen Flüssigkeit auftritt. Dabei wird Ethanol und das saure Hydrogensulfatanion freigesetzt.