Polymere Anionen leitende Membrane

Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind Verbindungen, insbesondere polymere Verbindungen, die mindestens eine Imidazol- und/oder Imidazolium-Struktureinheit aufweisen, ein Verfahren zu deren Herstellung und deren Verwendung, insbesondere als Anionen leitende Membranen.

Polymere ionenleitende Membranen sind seit längerem bekannt. Die in WO 2005/045978 A2,

US 2009325030 A1 und US 20040121210 A1 beschriebenen Membrane basieren auf einem hochfluorierten Polymerrückgrat. In EP 2224523 B1 und US 20140014519 A1 werden Anionen leitende Membranen hergestellt, in dem ein poröser Film mit einer Mischung von verschiedenen Vinylgruppen aufweisenden Monomeren, von denen mindestens eines eine Halogen-Gruppe (Chlor-Gruppe) aufweist, getränkt wird, die Oberflächen des poröse Films jeweils mit einem Polyesterfilm abgedeckt werden und anschließend eine thermische Polymerisation durchgeführt wird. Das so erhaltene Material wird anschließend mit Trimethylamin oder Methyliodid und dann mit NaOH behandelt. In EP 2296210 A1 folgt auf die Behandlung mit Trimethylamin eine Behandlung mit Na2C03.

In EP 2606954 A1 werden Anionen leitende Membrane durch die Härtung einer Polymerlösung erhalten, die Polymere enthält, die durch Chlormethylierung von Polysulfonen und anschließende Behandlung mit Trimethylamin erhalten wurden.

Aus dem Stand der Technik sind außerdem diverse Polymere bekannt, in denen Moleküle und/oder Molekülbausteine enthalten sind, die den nachfolgenden Formeln (la) und (Ib) entsprechen.

(la)

WO 2013/149328 beschreibt Polymere in denen Bausteine der Formel (Ib) enthalten sind, bei denen Ri, R2, R3, und R4 gleich oder verschieden -H, eine beliebige Gruppe oder ein Polymerrest,

R5 und R11 gleich oder verschieden Methyl-, Trifluormethyl-, Alkyl-, Perfluoralkyl-, Heteroalkyl-, Aryl-, Aralkyl- oder ein Polmyerrest oder keine Gruppe,

R6 und R10 gleich oder verschieden Methyl-, Trifluormethyl-, Alkyl-, Perfluoralkyl-, Heteroalkyl-, Alkoxy-, Perfluoralkoxy-, Halogen-, Aryl-, Heteroaryl- oder ein Polymerrest, und

R7, Re und R9 gleich oder verschieden -H, beliebige Gruppe oder ein Polymerrest sind.

Als besondere Ausführungsformen werden solche Polymere beschrieben, bei denen die Einbindung des Bausteins (Ib) in das Polymer über die Reste R3 und Rs, über den Rest Rs, über den Rest R5 oder über die Reste R5 und RH, erfolgt. In den Beispielen werden als Bausteine (la) bzw. (Ib) 2- Phenylbenzimidazol, 2-Mesitylbenzimidazol, 1 ,3-Dimethyl-2-Mesitylbenzimidazolium, 1 ,3-Dimethyl- 2-Phenylbenzimidazolium, Poly-(2,2'-(m-Phenyl)-5,5'-dibenzimidazol), Poly-(2,2'-(rm-Phenyl)-5,5'-bis- (Ν,Ν'-Dimethylbenzimidazolium) lodide), Poly-(2,2'-(m-Mesityl)-5,5'-dibenzimidazol) und Poly-(2,2- (m-Mesityl)-5,5'-bis-(N,N'-Dimethylbenzimidazolium) lodide) beschrieben. In EP 0126231 B1 werden Moleküle bzw. Polymere beschrieben, in denen Bausteine der Formel (la) oder (Ib) enthalten sind, bei denen

Ri, R ₂ , R3, und R4 = -H, R5 und R11 gleich oder verschieden H-, Kohlenwasserstoffrest mit 1 bis 10 C-Atomen oder Carboxyalkylrest mit 2 bis 10 C-Atomen, vorzugsweise Methyl-, Ethyl-, Benzyl- oder Carboxymethylrest,

Rs = Vinyl-Rest oder ein Polymerrest, und

Re, R7, R9 und R10 gleich oder verschieden -H oder Kohlenwasserstoffgruppe mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen, vorzugsweise -H, Methyl- oder Ethylrest, sind.

In US 3817749 werden Moleküle gemäß Formel (la) beschrieben mit R1, R2, R3, R4, R5, R7, Rs und Rg = -H und Re und R10 gleich Cl oder Br. Die mit Acetylen umgesetzten und anschließend polymerisierten Moleküle werden als photosensitive Polymere verwendet.

In WO 2017/117678 sowie den entsprechenden Publikationen von Steven Holdcroft werden Polymere und deren Verwendung in Ionen-leitenden Membranen beschrieben, die Einheiten der Formel (Ib), mit R10 und R6 = Phenylreste, aufweisen. Als Polymere werden Poly(4,4"-[2'-(1-friethyl- 1 H-benzimidazol-2-yl)-m-terphenylene]) und Poly(4,4"-[2'-(1 ,3-dimethyl-1 /-/-benzimidazolium-2-yl)- m-terphenylene])iodid beschrieben.

Aufgabe der voriiegenden Erfindung war die Bereitstellung von alternativen Verbindungen die als oder zur Herstellung von Anionen leitenden Polymeren geeignet sind.

Überraschenderweise wurde gefunden, dass diese Aufgabe von den anspruchsgemäßen Verbindungen gelöst wird.

Gegenstand der voriiegenden Erfindung sind deshalb Verbindungen wie in den Ansprüchen beansprucht und nachfolgend beschrieben.

Ebenfalls Gegenstand der voriiegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von solchen Verbindungen sowie deren Verwendung als Anionen leitende Membranen sowie diese Membranen selbst.

Die erfindungsgemäßen Polymeren haben den Vorteil, dass sie auf einfache Weise hergestellt werden können.

Die aus ihnen hergestellten Membranen haben den Vorteil, dass diese eine hohe mechanische Stabilität, ein geringes Quellverhalten kombiniert mit einer hohen dimensionalen Stabilität aufweisen. Zusätzlich dazu zeigen die Membrane recht hohe Anionenleitfähigkeiten. Die erfindungsgemäßen Verbindungen, Verfahren und Verwendungen werden nachfolgend beispielhaft beschrieben, ohne dass die Erfindung auf diese beispielhaften Ausführungsformen beschränkt sein soll. Sind nachfolgend Bereiche, allgemeine Formeln oder Verbindungsklassen angegeben, so sollen diese nicht nur die entsprechenden Bereiche oder Gruppen von Verbindungen umfassen, die explizit erwähnt sind, sondern auch alle Teilbereiche und Teilgruppen von Verbindungen, die durch Herausnahme von einzelnen Werten (Bereichen) oder Verbindungen erhalten werden können. Werden im Rahmen der vorliegenden Beschreibung Dokumente zitiert, so soll deren Inhalt, insbesondere bezüglich der in Bezug genommenen Sachverhalte vollständig zum Offenbarungsgehalt der vorliegenden Erfindung gehören. Werden nachfolgend Angaben in Prozent gemacht, so handelt es sich, wenn nicht anders angegeben um Angaben in Gewichts-%. Werden nachfolgend Mittelwerte angegeben, so handelt es sich, wenn nicht anders angegeben, um das Zahlenmittel. Werden nachfolgend Stoffeigenschaften, wie z. B. Viskositäten oder ähnliches angegeben, so handelt es sich, wenn nicht anders angegeben, um die Stoffeigenschaften bei 25 °C. Werden in der vorliegenden Erfindung chemische (Summen-)Formeln verwendet, so können die angegebenen Indizes sowohl absolute Zahlen als auch Mittelwerte darstellen.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind Verbindungen, vorzugsweise Oligomere oder Polymere, bevorzugt Polymere, enthaltend mindestens einen Baustein der Formel (la) oder (Ib)

(la) (Ib)

welche dadurch gekennzeichnet sind, dass Ri, R2, R3, und R4 gleich oder verschieden -H, oder eine beliebige Gruppe, vorzugsweise gleich -H, R5 und R11 gleich oder verschieden Alkyl- oder Perfluoralkyl-, vorzugsweise Methyl-, Ethyl-, Propyl-, iso-Propyl, n-Butyl-, tert-Butyl- oder Trifluormethylrest, bevorzugt gleich Methylrest,

R6 und R10 gleich oder verschieden Oligomer- oder Polymerrest; Re und R10 sind vorzugsweise ein Polymerrest, und

R7, Rs und Rg sind gleich oder verschieden -H oder eine beliebige Gruppe, vorzugsweise gleich -H.

Besonders bevorzugte Polymere weisen mindestens einen Baustein der Formel (la) oder (Ib) wie oben definiert auf, wobei mindestens einer der Reste Re oder R10 ein Oligomer- oder Polymerrest ist, der über ein Sauerstoffatom an das Ringkohlenstoffatom angebunden ist (Re oder R10 = -OR16 mit R16 = Oligomer- oder Polymerrest, vorzugsweise ein Polymerrest).

Vorzugsweise sind die erfindungsgemäßen Verbindungen Oligomene oder Polymere, welche mindestens 2 Bausteine der Formel (la) oder (Ib), vorzugsweise (la) aufweisen. Besonders bevorzugte erfindungsgemäße Verbindungen sind Blockcopolymere.

Bei den erfindungsgemäßen Verbindungen handelt es sich vorzugsweise um Polymerverbindungen, deren Polymerreste Re und R10 einen oder mehrere der Bausteine der Formel (IIa) und/oder (IIb) und/oder (lila) und/oder (lllb) und/oder (Nie) und/oder (llld)



aufweisen, mit Ri, R2, R3, R4, R5, R7, Rs, R9 und RH wie vorstehend definiert, L = 1 bis 25, vorzugsweise 1 bis 15, bevorzugt 1 bis 9, und Rx und Ry und Rx' und Ry' gleich oder verschieden Alkyl-, Phenyl- oder Perfluoralkylrest, bevorzugt -CH3 oder -CF3.

Bevorzugte erfindungsgemäße Verbindungen sind Verbindungen der Formel (IVa), (IVb), (IVc), (IVd), (IVe) oder (IVf)



Besonders bevorzugte erfindungsgemäße Verbindungen sind Verbindungen der Formel (Va) oder (Vb)

(Va)

(Vb)

mit Ri, R2, R3, R4, R5, R7, Rs, R9 und RH wie vorstehend definiert und Rx und Ry gleich oder verschieden -CH ₃ oder-CF ₃ und A = 5 bis 500, B = 5 bis 500, C = 1 bis 500 und D = 0 bis 1000, wobei die mit den Indizes A, B, C und D gekennzeichneten Einheiten blockweise oder statistisch verteilt in der Verbindung auftreten können.

Ganz besonders bevorzugte Verbindungen sind Verbindungen der Formeln (Via) bis (VId) 

(Vld) mit Ri, R2, R3, 4, R5, R7, Re, R9 und RH wie vorstehend definiert, L = 1 bis 25, vorzugsweise 3 bis 15, bevorzugt 3 bis 9, und Rx und Ry gleich oder verschieden -CH3 oder -CF3 und m = 1 bis 500, n = 1 bis 500, vorzugsweise 5 bis 50 und N = 1 bis 500, wobei die mit den Indizes m, n und N gekennzeichneten Einheiten blockweise oder statistisch verteilt in der Verbindung auftreten können.

Die erfindungsgemäßen Verbindungen können zum Beispiel mit dem nachfolgend beschriebenen Verfahren erhalten werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von den voranstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verbindungen zeichnet sich dadurch aus, dass es einen Schritt (1 ) enthält, in welchem eine Verbindung der Formel (X)

mit R1 bis R4 wie vorstehend definiert, mit einer Verbindung der Formel (XI)

mit Rs bis Rio wie vorstehend definiert, mit der Maßgabe, dass Re und Rio = -F, zu einer Verbindung

(XII)

umgesetzt wird,

und die Verbindung der Formel (XII) mit einem Methylierungsreagenz oder Trifluormethylierungsreagenz umgesetzt wird, unter Erhalt einer Verbindung der Formel (la), wie oben definiert, wobei Rs = Alkyl- oder Perfluoralkyl-, vorzugsweise Methyl-, Ethyl-, Propyl-, iso-Propyl, n- Butyl-, tert-Butyl- oder Trifluormethylrest, bevorzugt gleich Methylrest und und Rio = -F ist.

Vorzugsweise wird Schritt (1) so durchgeführt, dass Polyphosphorsaure und Methansulfonsaure in einem temperierbaren Reaktionsgefäß bei einer Temperatur von 40 bis 80 °C, vorzugsweise von 55 bis 65 °C vorgelegt wird und zu dieser Masse die Verbindung der Formel (X) unter Rühren und vorzugsweise unter Erwärmen des Reaktionsgemisches auf 90 bis 130 °C, bevorzugt 105 bis 115 °C, zugegeben wird. Nachdem diese Masse vorzugsweise homogenisiert ist, erfolgt die Zugabe der Verbindung der Formel (XI), vorzugsweise ebenfalls unter Rühren. Zu dieser Reaktionsmasse wird vorzugsweise eine organisches Lösungsmittel, bevorzugt o-Xylol gegeben und die Temperatur des Reaktionsgemisches, vorzugsweise innerhalb von 3 Stunden, auf 140 bis 170 °C, bevorzugt auf 150 bis 160 °C erhöht und anschließend für vorzugsweise 30 bis 60 Stunden, bevorzugt 35 bis 45 Stunden bei dieser Temperatur belassen. Anschließend erfolgt eine Abkühlung, vorzugsweise auf 65 bis 95 °C, bevorzugt 75 bis 85 °C. Bei Erreichen dieser Temperatur wird vorzugsweise Wasser zugegeben. Die Zugabe erfolgt vorzugsweise in der Weise, dass die Temperatur in dem genannten Temperaturbereich bleibt. Nach Zugabe der vollständigen Menge Wasser, die vorzugsweise 100 bis 500 Volumen-% des im Reaktor befindlichen Reaktionsgemisches beträgt, wird der Reaktorinhalt vorzugsweise auf 10 bis 30 °C, bevorzugt 15 bis 25 °C und besonders bevorzugt 20 °C abgekühlt. Nach vorzugsweise 1 bis 5 stündigem, bevorzugt 1 ,5 bis 2,5 stündigem Rühren wird das erhaltene Reaktionsgemisch vorzugsweise einem Trennverfahren unterzogen, bei dem Feststoffe von Flüssigkeiten getrennt werden. Die abgetrennten Feststoffe werden vorzugsweise mit Wasser verrührt und unter Kühlung, so dass die Temperatur vorzugsweise von 30 bis 60 °C, bevorzugt 40 bis 50 °C beträgt, wird eine Lauge, vorzugsweise NaOH zugegeben, bis das Reaktionsgemisch einen pH-Wert von vorzugsweise 10 erreicht hat. Nach weiterem Rühren wird der Feststoff aus dem Gemisch wieder abgetrennt, mit Wasser gewaschen und getrocknet. Es wird eine Verbindung der Formel (XII) erhalten.

Zum Erhalten einer Verbindung der Formel (la) mit Re und Rio = -F und Rs gleich oder verschieden Alkyl- oder Perfluoralkyl-, vorzugsweise Methyl-, Ethyl-, Propyl-, iso-Propyl, n-Butyl-, tert-Butyl- oder Trifluormethylrest, vorzugsweise Methyl- oder Trifluormethylrest, bevorzugt Methylrest, kann die Verbindung der Formel (XII) z. B. in einem Reaktionsgefäß mit einem Alkylierungsreagenz, bevorzugt Dimethylcarbonat, K2CO3 und DMAc in Kontakt gebracht werden und anschließend durch Erwärmen auf eine Temperatur von 90 bis 130 °C, vorzugsweise unter Rühren, zur Reaktion gebracht werden. Vorzugsweise wird die Reaktion über einen Zeitraum von 10 bis 25 Stunden, bevorzugt von 15 bis 20 Stunden durchgeführt. Es kann vorteilhaft sein, zum Beenden der Reaktion Wasser dem Reaktionsgemisch zuzugeben und nach der Zugabe von Wasser vorzugsweise für 0,5 bis 2 Stunden weiter zu rühren. Es wird eine Verbindung der Formel (la) mit R5 = -Methyl erhalten.

Das erfindungsgemäße Verfahren weist vorzugsweise einen Verfahrensschritt (2) auf, bei dem eine Verbindung der Formel (la), wie oben definiert, mit Re und R10 = -F und R5 = Alkyl- oder Perfluoralkyl-, vorzugsweise Methyl-, Ethyl-, Propyl-, iso-Propyl, n-Butyl-, tert-Butyl- oder Trifluormethylrest ist, mit einem Silan, vorzugsweise (CH3)3SiO ^" K ⁺ und anschließender Hydrolyse mit KOH oder NaOH unter Erhalt einer Verbindung der Formel (la) mit R10 oder Re = Η, nachfolgend als Verbindung der Formel (la') bezeichnet, umgesetzt wird.

Es kann vorteilhaft sein, wenn das erfindungsgemäße Verfahren einen Verfahrensschritt (3) aufweist, bei dem eine Verbindung der Formel (la) mit R1 bis R5 und R7 bis Rg wie oben definiert, und Re und Rio = Fluor, mit mindestens einer Verbindung der Formel (la') mit Ri bis R5 und R7 bis Rg wie für Formel (la) definiert, zu einem Oligomeren der Formel (la") mit R1 bis R5 und R7 bis Rg wie für Formel (la definiert und L ^' = 2 bis 25, vorzugsweise 2 bis 15, bevorzugt 2 bis 9 umgesetzt wird.

(la') (la")

Das erfindungsgemäße Verfahren weist bevorzugt einen Verfahrensschritt (4) auf, bei dem eine Verbindung der Formel (la) oder (la"), wie oben definiert, mit einem Diol, vorzugsweise Hydrochinon umgesetzt wird.

Die Umsetzung in Verfahrensschritt (4) erfolgt vorzugsweise wie nachfolgend beschrieben in einem Reaktionsgefäß, in welches die Verbindung der Formel (la) oder (la"), K2CO3, Hydrochinon mit DMAc gespült werden. Vorzugsweise unter Inertgasatmosphäre, bevorzugt Stickstoffatmosphäre wird das Gemisch vorzugsweise unter Rühren zum Sieden erhitzt. Am Kopf des Reaktionsgefäßes werden gegebenenfalls entstehendes Methanol und/oder Wasser abgenommen.

Das erfindungsgemäße Verfahren weist vorzugsweise einen Verfahrensschritt (5) auf, bei dem das Umsetzungsprodukt von Diol, vorzugsweise Hydrochinon, mit einer Verbindung der Formel (la) oder Formel (la"), wie oben definiert, mit einer Verbindung der Formel (XIII)

mit Rx und Ry gleich oder verschieden Alkyl- oder Perfluoralkyl-, vorzugsweise Methyl-, Ethyl-, Propyl-, iso-Propyl, n-Butyl-, tert-Butyl- oder Trifluormethylrest, bevorzugt -CH3 oder -CF3, und einer Difluoroverbindung, vorzugsweise 4,4'-Difluorbenzophenon oder einer Verbindung der Formel (XIV)

mit Rx' und Ry' gleich oder verschieden Alkyl- oder Perfluoralkyl-, vorzugsweise Methyl-, Ethyl-, Propyl-, iso-Propyl, n-Butyl-, tert-Butyl- oder Trifluormethylrest, bevorzugt -CH3 oder-CF3, umgesetzt wird. Vorzugsweise wird der Verfahrensschritt (5) wie folgt durchgeführt: Bei Raumtemperatur werden 4,4 ^' - Difluorbenzophenon (DFBP) und eine Verbindung der Formel (XIII), vorzugsweise Bisphenol A, gegebenenfalls unter Zugabe eines Lösungsmittels, bevorzugt DMAc und optional Zugabe von K2CO3, zu der in Verfahrensschritt (4) erhaltenen Reaktionsmasse gegeben. Dieses Reaktionsgemisch wird zum Sieden gebracht und von 10 bis 30 Stunden, vorzugsweise von 12 bis 25 Stunden am Sieden gehalten, wobei während der Reaktion, insbesondere zu Beginn der Reaktion entstehendes Reaktionswasser abgezogen wird.

Nach dem Erkalten kann das Polymer aus Wasser ausgefällt werden. Es kann vorteilhaft sein, das ausgefällte Polymer zu zerkleinem, z.B. unter Verwendung eines Ultraturrax, und anschließend ein oder mehrfach mit Wasser und optional anschließend mit Ethanol zu waschen (auszulaugen). Vorteilhafterweise wird das Polymer nach dem Waschen bei erhöhter Temperatur und Unterdruck, bevorzugt bei 125 bis 160 °C und einem leichten Vakuum (Unterdruck von kleiner 500 mbar, vorzugsweise von etwa 200 mbar) getrocknet. Vorzugsweise wird das in dem Verfahrensschritt (5) erhaltene Produkt in einem weiteren Verfahrensschritt (6) mit einem Alkylierungsreagenz, bevorzugt Methylierungsreagenz umgesetzt. Vorzugsweise wird Verfahrensschritt (6) so durchgeführt, dass das in Verfahrensschritt (5) erhaltene Polymer in einem Lösungsmittel, z. B. Ν,Ν-Dimethylacetamid, vorzugsweise bei einer Temperatur von 30 bis 70 °C, bevorzugt 45 bis 55 °C , bevorzugt unter leichtem Rühren gelöst wird. Nach dem Abkühlen der erhaltenen Lösung wird diese auf eine Temperatur von 20 bis 40 °C, vorzugsweise 25 bis 35 °C temperiert und es wird unter Rühren lodmethan, z.B. über eine Spritze, zugetropft. Nach einem Zeitraum von vorzugsweise 0,25 bis 5 Stunden, bevorzugt 1 ,5 bis 2,5 Stunden, in denen vorzugsweise weiter gerührt wird, wird mit einer Vakuumpumpe ein Unterdruck von kleiner 500 mbar, vorzugsweise von etwa 200 mbar angelegt, um überschüssiges lodmethan abzuziehen. Bevorzugte erfindungsgemäße Verfahren sind solche, die einen oder mehrere der vorzugsweise oder bevorzugt eingesetzten Verfahrensschritte, vorzugsweise alle Verfahrensschritte (1 ) bis (6), aufweisen.

Die oben beschriebenen erfindungsgemäßen polymeren Verbindungen können z. B. als Anionen leitende Membran, zur Herstellung einer Anionen leitenden Membran oder zur Herstellung eines Bauteils, welches in einem elektrochemischen Verfahren, vorzugsweise ausgewählt aus Elektrolyse, Elektrodialyse und Brennstoffzellentechnik eingesetzt wird.

Entsprechend zeichnen sich erfindungsgemäße Membranen und Elektrolyseure dadurch aus, dass sie ein erfindungsgemäße Verbindung, Oligomer oder Polymer, vorzugsweise Polymer, aufweisen.

Zur Herstellung einer (erfindungsgemäßen) Membran, insbesondere einer Anionen leitenden Membran, kann direkt die in Verfahrensschritt (6) erhaltene Lösung eingesetzt werden.

Vorzugsweise erfolgt zunächst die Herstellung einer Membran in der Weise, dass die benötigte Menge an Polymerlösung mit einer Spritze oder ähnlichem aufgenommen und vorzugsweise durch einen PTFE-Filter (zur Abtrennung von evtl. nicht gelösten Polymerteilchen) auf eine vorgeheizte, vorzugsweise auf eine auf 30 °C bis 40 °C vorgeheizte Glasplatte aufgetragen wird. Für die

Beschichtung der Glasplatte wird vorzugsweise ein Rakel mit einem Spalt von bevorzugt 350 μηη benutzt, welcher automatisch mit einer Geschwindigkeit von 1 bis 50 mm/s bevorzugt 2 bis 5 mm/s über die Glasplatte gezogen wird. Die aufgetragene Nassschicht wird vorzugsweise unter einem Inertgas, bevorzugt Stickstoff für mindestens 10 Stunden, bevorzugt von 12 bis 10 Stunden vorgetrocknet. Das Vortrocknen kann bei Raumtemperatur oder erhöhter Temperatur erfolgen. Vorzugsweise erfolgt das Vortrocknen bei Raumtemperatur. Nach dem Vortrocknen erfolgt vorzugsweise eine Trocknung bei vermindertem Druck, vorzugsweise bei einem Druck von kleiner 200 mbarabs, bevorzugt kleiner-gleich 100 mbar _a bs und bei einer Temperatur oberhalb von 25 °C, bevorzugt im Bereich von 40 bis 80 °C, bevorzugt 55 bis 65 °C. Zur Herstellung der Anionen leitenden Membran kann die so hergestellte Membran z. B. mit 0,5 M KOH oder KCl Lösungen (wässrig) behandelt werden. Dazu kann die Membran mehrfach, vorzugsweise 3 Mal jeweils für 1 Stunde bei 60 °C in die entsprechende Lösung eingelegt und anschließend in frischer Lösung über Nacht bei Raumtemperatur gelagert werden. Es kann vorteilhaft sein, wenn die so behandelten Membrane anschließend mit deionisiertem Wasser abgespült und mehrfach, vorzugsweise 3 Mal jeweils für 1 Stunde bei 60 °C in frischen Portionen des deionisierten Wassers eingelegt werden und anschließend in einerfrischen Portion

deionisiertem Wasser bei Raumtemperatur gelagert werden. In den nachfolgend aufgeführten Beispielen wird die vorliegende Erfindung beispielhaft beschrieben, ohne dass die Erfindung, deren Anwendungsbreite sich aus der gesamten Beschreibung und den Ansprüchen ergibt, auf die in den Beispielen genannten Ausführungsformen beschränkt sein soll.

Beispiele:

Beispiel 1 : Synthese von 2-(2',6'-Difluorophenyl )-Benzimidazol (DFP-BI)

In ein 3 L Reaktionsgefäß mit temperaturgeregeltem Ölbad, mechanischem Rührwerk, einem Einlass für Stickstoff und einem langen, aufsteigenden Glasrohr als Kühler wurden 1600 g Polyphosphorsäure überführt und das Ölbad auf 120 °C erwärmt. Anschließend wurden 632 g von 2,6-Difluorobenzoesäure (DFBA) langsam eingerührt. In diese Mischung wurden im Verlauf einer Stunde 432 g ortho-Phenylendiamin eingerührt. Die Temperatur des Ölbades wurde einen Tag auf 125 °C, einen Tag auf 135 °C, 3 Tage auf 145 °C und 1 Tag auf 150 °C gehalten. Die an den kälteren Oberflächen des Reaktors in langen Nadeln sublimierte DFBA wurde mehrmals durch Zugabe einiger Mililiter Tetrahydrofuran (THF), welches verdampfte und an den kälteren Stellen kondensierte, in die Reaktionsmasse zurück gespült. Die Reaktionsmasse wurde abgekühlt und bei etwa 80 °C mit Wasser langsam auf ein Gesamtvolumen von 3 L verdünnt. Dabei fiel das Dihydrogenphosphat des DFP-BI aus der Lösung aus. Dieser Niederschlag wurde abgenutscht, zwei Mal mit jeweils zwei Litern Wasser aufgeschlämmt und abgenutscht. Der noch nasse Filterkuchen wurde in einer Lösung von 250 g NaOH in 1 ,5 L Wasser aufgeschlämmt und dabei das DFP-BI aus seinem Dihydrogenphosphat frei gesetzt. Nach einer Stunde Rühren wurde abgenutscht. Der Filterkuchen wurde in 2 L Wasser geschlämmt und mit Ammonium-hydroxydlösung auf einen pH-Wert von 9 gebracht. Diese Reinigung wurde mit reinem Wasser wiederholt. Der abgenutschte Filterkuchen wurde bei 120 °C bei 30 mbar über Nacht getrocknet. Rohausbeute: 810 g leicht rosa Produkt, das sind 88 % der theoretischen Ausbeute.

Dieses Produkt kann durch Umkristallisieren aus THF gereinigt werden. Das solcherart gereinigte Produkt wurde mittels ¹ H- und ¹³ C-NMR untersucht und eindeutig als 2-(2',6'-Difluorophenyl)- Benzimidazol identifiziert.

Beispiel 2: Methylierung von DFP-BI zu MeDFP-BI

Die Apparatur bestand aus einem 1 L Vierhalskolben mit mechanischem Rührwerk, Stickstoffbeaufschlagung, Aluminiumheizblock mit Temperaturregelung und einer Füllkörperkolonne mit 35 cm Länge und 2 cm Durchmesser, die mit Raschig-Ringen gefüllt war. Am Kopf der Kolonne war ein Kühler mit einstellbarem Rücklaufverhältnis und Kondensatentnahme aufgesetzt. Bei Raumtemperatur wurden 34,50 g von DFP-BI aus Beispiel 1 (umkristallisiert aus THF), 26,1 g von Dimethylcarbonat in 75 g Dimethylacetamid (DMAc) gelöst, 10,35 g vom gemahlenen K2CO3 zugegeben und 1 Stunde bei 95 °C Heizblocktemperatur, 15 Stunden bei 100 °C und noch 1 Stunde bei 125 °C zur Reaktion gebracht. Anschließend wurde auf 100 °C Blocktemperatur geregelt, 9,0 ml Wasser zugegeben und noch 1 Stunde gerührt, um überschüssiges Dimethylcarbonat zu zersetzen.

Beispiel 3: Oligomerisierung von MeDFP-BI

Der Ansatz aus Beispiel 2 wurde auf Raumtemperatur abgekühlt und 13,8 g von K2CO3 (gemahlen und bei 400 °C getrocknet) sowie 17,60 g von Hydrochinon mit 50 g DMAc in die Apparatur gespült, 20 Minuten mit Stickstoff geflutet und danach unter Rühren zum Sieden erhitzt, indem der Heizblock auf 225 °C geregelt wurde. Der Reihe nach wurden am Kolonnenkopf zuerst Methanol und dann Wasser abgezogen. Bei der Reaktion entstandenes Wasser wurde laufend über die Kolonne entfernt. Nach 18 Stunden wurde eine Aufschlämmung von 10,3 g von K2CO3 in 20 g DMAc zugegeben und weitere 5 Stunden bei Siedehitze zur Reaktion gebracht.

Beispiel 4: Polymerisation

Ansatz aus Beispiel 3 wurde auf Raumtemperatur abgekühlt und es wurden 32,70 g von 4,4 ^' - Difluorobenzophenone (DFBP), 31 ,92 g von Bisphenol A (ΒΡΑ;) sowie 10,3 g von K2CO3 und 130 g DMAc zugegeben und weitere 20 Stunden am Sieden gehalten, wobei speziell zu Beginn das Reaktionswasser am Kolonnenkopf abgezogen wurde. Dann wurden noch 3,45 g von K2CO3 zur bereits viskosen Lösung zugegeben und weitere 3 Stunden auf Siedetemperatur gehalten.

Beispiel 5: Aufarbeitung des Polymers

Nach dem Erkalten der Reaktionsmasse aus Beispiel 4 wurde die Reaktionsmasse in 2 L Wasser gefällt, das ausgefallene Polymer mit Hilfe eines Ultraturrax zerkleinert und 2 mal mit Wasser bei 80 °C ausgelaugt. Zum Schluss wurde das Polymer noch mit 500 ml Ethanol bei 60 °C ausgelaugt. Das abgenutschte Polymer wurde bei 150 °C im Vakuum getrocknet. Ausbeute: 106 g fast weißes Produkt. Beispiel 6:

Synthese von 1 -Methyl, 2-(2',6'-Difluoro-phenyl)-Benzimidazol (MeDFP-BI)

In ein 3 L Reaktionsgefäß mit von der Innentemperatur geregeltem Ölbad, mechanischem Rührwerk, einem Einlass für Stickstoff und einem Rücklaufkühler wurden 1500 g Dimethylformamid ( DMF ), 100 g von K2CO3 und 4,5 mol Dimethylcarbonat (DMC) eingebracht.

690 g von DFP-BI (Rohprodukt aus Beispiel 1 ) wurden in zwei Tranchen zu 400 g und 290 g aufgeteilt. Die erste Tranche wurde in den Reaktor eingebracht. Die Reaktionslösung wurde zuerst eine halbe Stunde auf 95 °C und weitere 5 Stunden auf 100 °C geregelt. Nach dem Abkühlen wurde die zweite Tranche zugegeben, eine halbe Stunde auf 95 °C, weitere 5 Stunden auf 100 °C und drei Stunden auf 125 °C geregelt.

Nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur wurde die Reaktionslösung in 5 L Wasser verrührt. Dabei schied sich eine feste Masse ab. Diese wurde abfiltriert, mit Wasser gewaschen und bei 90 °C im Vakuum über Nacht getrocknet.

Rohausbeute: 660 g

Beispiel 7:

Synthese von 1 -Methyl, 2-(2'-Hydroxy-6'-Fluoro-phenyl)-Benzimidazol (MeHyFP-BI)

Die Apparatur war ein 3 L Reaktionsgefäß mit mechanischem Rührwerk, Stickstoffbeaufschlagung, Ölbad mit Temperaturregelung und einer Füllkörperkolonne mit 35 cm Länge und 2 cm Durchmesser, die mit Raschig-Ringen gefüllt war. Am Kopf der Kolonne war ein Kühler mit einstellbarem Rücklaufverhältnis und Kondensatentnahme aufgesetzt.

Der Reaktor wurde bei Raumtemperatur mit 488 g von MeDFP-BI aus Beispiel 6, 300 g KOH in Form von Flakes, 100 g Hexamethyldisiloxan (HMDS) und 800 g Sulfolan beschickt. Das Ölbad wurde auf 105 °C geregelt. Bald darauf begann die Lösung aufgrund der exothermen Reaktion stark zu sieden. Bald darauf verringerte sich die verdampfende Menge von HMDS, weshalb die Temperatur des Ölbades langsam erhöht wurde, sodass die Lösung immer siedete.

Nach 7 Stunden wurde etwas von HMDS am Kolonnenkopf abgezogen und danach abgekühlt. Bei Unterschreiten von etwa 70 °C wurde die Reaktionslösung mit 1 ,5 L Wasser verdünnt. Die Lösung war leicht trüb und wurde bei Raumtemperatur über eine G3-Fritte filtriert. Das klare Filtrat wurde mit Essigsäure neutralisiert. Dabei fiel das MeHyFP-BI aus, dasabgenutschtund mit Wasser gewaschen wurde. Der Filterkuchen wurde in 2,5 L Wasser aufgeschlämmt und mit konzentrierter Salzsäure bis pH-Wert von ca. 0 angesäuert. Beim Aufheizen auf 80 °C löste sich das MeHyFP-BI als Hydrochlorid auf und die Lösung wurde heiß filtriert. Aus dem erkaltenden Filtrat schied sich das Hydrochlorid in Form weißer Kristalle ab. Es wurde abgenutscht. Das Filtrat wurde mit Ammoniaklösung neutralisiert, wobei MeHyFP-BI ausfiel. (Fraktion 2) .

Das abgenutschte Hydrochlorid wurde in Wasser geschlämmt, MeHyFP-BI ebenfalls mit Ammoniaklösung frei gesetzt und abfiltriert (Fraktion 1 ). Beide Fraktionen wurden bei 100 °C im Vakuum über Nacht getrocknet.

Fraktion 1 : 431 g; gemäß HPLC sehr sauber

Fraktion 2: 40,5 g; leicht rosa, ist wahrscheinlich unrein Beispiel 8:

Trimerisierung von MeDFP-BI und MeHyFP-BI aus Beispiel 6 zum Makromer

In einen 500 ml Dreihalskolben mit mechanischem Rührwerk, einer Füllkörperkolonne ( L = 35 cm, D=2 cm) mit Kolonnenkopf, Aluminiumheizblock mit Temperaturregelung und Stickstoffspülung wurden 0,0500 mol ( 12,20 g ) MeDFP-BI, 0,1000 mol ( 24,20 g ) MeHyFP-BI , 0,1014 mol ( 14.0 g ) K2CO3 mit 70 g DMAc überführt und 30 Minuten mit Stickstoff gespült. Anschließend wurde der Heizblock auf 225 °C erhitzt und die Lösung begann zu sieden. Gebildetes Reaktionswasser wurde laufend am Kolonnenkopf abgezogen. Nach 20 Stunden wurde der Heizblock auf Raumtemperatur abgekühlt.

Beispiel 9: Oligomerisierung vom Makromer aus Beispiel 7 mit Hydroquinon zum Oligomer

Zu der erkalteten Reaktionsmischung aus Beispiel 8 wurden unter Stickstoff 6,60 g von Hydrochinon sowie 8,40 g von K2CO3 und 25 g DMAc zugegeben und der Heizblock wieder auf 225 °C erhitzt. Gebildetes Reaktionswasser wurde laufend am Kolonnenkopf abgezogen. Nach 16 Stunden wurde die Reaktionslösung auf Raumtemperatur abgekühlt.

Beispiel 10: Polymerisation vom Oligomer aus Beispiel 9 zum Block-Copolymer

Zu der erkalteten Reaktionsmischung aus Beispiel 9 wurden unter Stickstoff 10,90 g von 4,4'- Difluorobenzophenon sowie von einer Gesamtmenge von 13,44 g von 2,2-(4'-Hydroxyphenyl)- Hexafluoropropan (BPA-6F) die ersten 12,00 g sowie 8,40 g von K2CO3 und 70 g DMAc zugegeben. Der Heizblock wurde wieder auf 225 °C erhitzt. Gebildetes Reaktionswasser wurde laufend am Kolonnenkopf abgezogen. Nach 3 Stunden Reaktionszeit wurden 1 ,00 g von BPA-6F sowie 1 ,00 g von K2CO3 und 10 g DMAc zugegeben und die Temperatur des Heizblockes auf 200 °C geregelt. Nach weiteren 3 Stunden wurden die restlichen 0.44 g von BPA-6F zugegeben, der Heizblock auf 190 °C geregelt und noch 3 weitere Stunden auf dieser Temperatur gehalten. Danach wurde auf Raumtemperatur abgekühlt und das Polymers analog Beispiel 5 aufgearbeitet.

Beispiel 11 : Quarternisierung des Polymers mit Jodmethan

Zur Quarternisierung des Polymers wurden 15 g des Produktes aus Beispiel 10 in 45 g N,N- Dimethylacetamid im Kolben unter leichtem Rühren bei 50 °C gelöst und ca. eine Stunde bis zum vollständigen Lösen des Polymers gerührt. Nach dem Abkühlen der Lösung auf 30 °C wurden 6,6 g lodmethan durch langsames Zutropfen über eine Spritze zugegeben und die Lösung wurde für weitere 2 Stunden gerührt. Das nicht verbrauchte lodmethan wurde anschließend mit einer Vakuumpumpe bei 200 mbar abgezogen und die Gasphase wurde durch zwei seriell angeordnete, mit 30 Massen-%ige, wässrige KOH Lösung gefüllte Gaswaschflaschen zur Zerstörung des lodmethans geleitet. Beispiel 12: Quarternisierung des Polymers mit Dimethylsulfat

ZurQuarternisierung des Polymers wurden 3,0 g des Produktes aus Beispiel 10 in 7 g DMF im Kolben unter Rühren bei 50 °C gelöst. Nach dem Abkühlen der Lösung auf 25 °C wurden 1 ,1 g von Dimethylsulfat zugetropft und verrührt. Die exotherme Reaktion begann zuerst langsam, erwärmte das Reaktionsgemisch auf über 45 °C und war bei dieser Temperatur nach wenigen Minuten komplettiert.

Beispiel 13: Herstellung der Membran

Die im Beispiel 11 beschriebene Lösung des quaternisierten Polymers wurde direkt zur Herstellung der Membran verwendet. Die benötigte Menge an Polymerlösung wurde mit einer Spritze aufgenommen und direkt durch einen PTFE-Filter (zur Abtrennung von evtl. nicht gelösten

Polymerteilchen) auf eine auf 30 °C vorgeheizte Glasplatte aufgetragen. Für die Beschichtung der Glasplatte wurde ein Rakel mit einem Spalt von 350 μηη benutzt, welcher automatisch mit einer Geschwindigkeit von 5 mm/s über die Glasplatte gezogen wurde. Die aufgetragene Nassschicht wurde für 16 Stunden unter Stickstoff bei Raumtemperatur vorgetrocknet und anschließend für 6 Stunden bei 60 °C unter Vakuum getrocknet.

Beispiel 14: lonentausch der Membran

Die im Beispiel 13 hergestellte Membran wurde ionengetauscht, d.h. die durch die Quaternisierung des Polymers vorliegenden lodidionen wurden mit Chlorid- bzw. Hydroxidionen ausgetauscht. Dafür wurden die zugeschnittenen Membranproben in wässrige 0,5 M KOH Lösung 3 Mal jeweils für 1 Stunde bei 60 °C eingelegt und anschließend in frischer 0,5 M KOH Lösung über Nacht bei Raumtemperatur gelagert. Nach dem lonentausch wurden die Membranproben mit deionisiertem Wasser abgespült und 3 Mal jeweils für 1 Stunde bei 60 °C in frischen Portionen des deionisierten Wassers eingelegt. Anschließend wurden die Membranproben in einerfrischen Portion des deionisierten Wassers über Nacht bei Raumtemperatur gelagert.

Beispiel 15: Bestimmung der ionischen Leitfähigkeit der Membran

Die in-plane, i.e. flächige, ionische Leitfähigkeit der ionengetauschten Membranproben wurde mittels Impedanzspektroskopie (EIS) in üblicher 4-Elektrodenanordnung gemessen. Die Membranprobe wurde in einer kommerziellen BT-112 Zelle (Bekk Tech LLC) so befestigt, dass die beiden äußeren Pt Drähte unter der Probe und die beiden Mittleren über der Probe platziert waren. Die BT-112 Zelle wurde zwischen 2 PTFE Platten befestigt und mit DI Wasser gefüllt. Die Temperatur des DI Wassers wurde mittels eines Wasserbads kontrolliert und DE Wasser wurde permanent durch die Zelle gepumpt. Die Berechnung des Wiederstandes (RMembran) wurde durch das Fitten des EIS- Spektrums mittels weit verbreitetem R(RC) Randles Equivalentschaltkreises durchgeführt. Die ionische Leitfähigkeit (o) der Membranprobe ergibt sich aus der Gleichung (1 ): 0 = IJ(R _M emb _ra n ^* A) (1 ) mit L der Abstand zwischen Pt Drähten (5 mm) und A der Fläche der Membranprobe zwischen den zwei äußeren Pt-Drähten.

Beispiel 16: Bestimmung der Wasseraufnahme der Membran

Die ionengetauschten Membranproben (jeweils 3 Proben pro getestete Membran) wurden für 24 Stunden in einem Vakuumofen bei 40 °C und 25 mbar getrocknet, anschließend im Exsikkator auf Raumtemperatur abgekühlt und gewogen. Für die Messung der Wasser-aufnahme wurden die Membranproben für 24 Stunden in auf 25 °C temperiertes, deionisiertes Wasser ausgelagert. Anschließend wurde das Gewicht jeder Probe neu bestimmt. Hierfür wurde noch anhaftendes Wasser mit Hilfe eines Filterpapiers von der Membran entfernt. Jede Messung wurde 3 Mal wiederholt und ein Mittelwert ± Standardabweichung wurden berechnet. Die Wasseraufnahme (WA) ergibt sich aus Gleichung (2):

WA = (rTlnass - ^* 100% (2) mit rrinass der Masse der Probe nach dem Quellen und n en der Trockenmasse der Probe.

Beispiel 17: Bestimmung des Quellverhaltens der Membran

Die ionengetauschten Membranproben (jeweils 3 Proben pro getestete Membran) wurden für

24 Stunden in einem Vakuumofen bei 40 °C und 25 mbar getrocknet, anschließend im Exsikkator auf Raumtemperatur abgekühlt und solche Parameter wie die Probenlänge, die Probenbreite sowie die Probendicke wurden bestimmt. Für die Bestimmung des Quellverhaltens wurden die

Membranproben für 24 Stunden in auf 25 °C temperiertem, deionisiertem Wasser gelagert.

Anschließend wurden die Probenlänge, die Probenbreite sowie die Probendicke neu bestimmt.

Hierfür wurde noch anhaftendes Wasser mit Hilfe eines Filterpapiers von der Membran entfernt.

Jede Messung wurde 3 Mal wiederholt und ein Mittelwert ± Standard-abweichung wurden berechnet. Das Quellverhalten (bezeichnet als dimensionale Stabilität, DS) in Länge, Breite und

Dicke ergibt sich aus Gleichung (3):

DS = (Xnass - Xtracken)/XtiDcken ^* 100% (3) mit Xnass der Länge, Breite oder Dicke der Probe nach dem Quellen und xtmcken der Trockenlänge, Trockenbreite oder Trockendicke der Probe. Beispiel 18: [Bestimmung der mechanischen Belastbarkeit der Membran

Die ionengetauschten Membranproben (jeweils 3 Proben pro getestete Membran) wurden für 24 h in deionisiertem Wasser gelagert. Vor dem Einbau der Probe in das Messsystem (DMA 8000 mit Wasserbad) wurden Breite und Dicke jeder Membranprobe mehrfach bestimmt. Die Durchführung der Messung sieht wie folgt aus - Membranprobe wird zwischen zwei sich senkrecht

gegenüberstehenden Klammem mit einer statischen Vorspannung eingebaut. Um eine statische Vorspannung auf die Probe zu bringen, wird während des Einbaus, der Abstand zwischen den Klammem (auch als freie Weglänge I bezeichnet) um ca. 1 mm verringert. Die Probe wird zwischen beiden Klammem fixiert und anschließend die ursprüngliche freie Weglänge wiederhergestellt, wodurch die Probe gedehnt wird. Der gesamte Messaufbau wird in einem beheizbaren Wasserbad mit deionisiertem Wasser versenkt, sodass die Probe vollständig von Wasser umgeben wird. Die Messprozedur umfasst die Untersuchung der Probe in einem Temperaturbereich zwischen Raumtemperatur (ca. 23 °C) und 80 °C bei einer angelegten Heizrate von 2 K/min. Innerhalb dieses Temperaturintervalls wird die Probe sinusförmig mit einer Dehnung ε von 0,1 % bei einer Frequenz von 1 Hz kontinuierlich belastet. Die Dehnung in % ergibt sich aus Gleichung (4): ε = ΔΙ/Ι (4) mit ΔΙ der Probendehnung in mm und I der freien Weglänge. Bei einer freien Weglänge von 1 = 10 mm ergibt sich für ε = 0,1 % eine Dehnung von 0,01 mm. Über einen Kraftsensor wird die für die vorgegebene Dehnung erforderliche Spannung detektiert. Die Ergebnisse der Ausprüfung sind in Tabelle 1 angegeben.

Tabelle 1 : Ergebnisse der Ausprüfungen

WasserDimensionale Ionische Ionische Mechanische aufnahme Stabilität ¹ Leitfähigkeit ² Leitfähigkeit ³ Belastbarkeit ⁴ [%] [%] [mS/cm] [mS/cm] [GPa]

Membran 1 8,1 ± 1 ,1 4,6 ± 1 ,1 6,4 ± 0,4 - 1 ,429 ± 0,101

Membran 2 3,2 ± 0,9 4,2 ± 0,1 51 ,3 ± 1 ,2 - 0,853 ± 0,037

FAA-3 28,4 ± 8,8 13,1 ± 2,7 30,9 ± 3,4 - 0,086 ± 0,01

Nafion N-115 14,0 ± 0,7 5,1 ± 0,5 - 110,7 ± 4,8 0,085 ± 0,01 Erläuterungen

• Membran 1 wurde aus dem im Beispiel 5 beschriebenen und anschließend quaternisierten Polymer hergestellt

• Membran 2 wurde aus dem im Beispiel 10 beschriebenen und anschließend quaternisierten Polymer hergestellt

• FAA-3 ist eine kommerziell erhältliche anionenleitfähige Membran der Firma FUMATECH BWT GmbH

• Nafion N-115 ist eine kommerziell erhältliche kationenleitfähige Membran der Firma The Chemours Company (USA)

· ¹ Diese Daten beziehen sich auf die Änderung der Dicke der Membran

• ² Diese Daten beziehen sich auf die Leitfähigkeit der Membran in OH-Form,

gemessen @ 60 °C

• ³ Diese Daten beziehen sich auf die Leitfähigkeit der Membran in H+-Form,

gemessen @ 60 °C

· ⁴ Alle Membrane außer Nafion (H+-Form) wurden in OH-Form @ 60 °C gemessen