Preparation, characterization and applications of ionic liquids with perfluorinated alkyl groups

Abstract

Ionic liquids (ILs) constitute a highly tunable class of novel materials that offers a unique property combination for a large variety of high-performance applications. As there are a vast number of possible ILs accessible for the implementation in advanced technologies, the knowledge about their synthesis, physicochemical properties and microscopic interactions that determine the macroscopic behavior is of vital interest. The introduction of fluorinated alkyl groups in ILs significantly alters their properties depending on the chain length in different beneficial ways. The aim of this thesis was the systematic investigation of the synthesis of novel ILs with perfluorinated alkyl groups, the resulting macro- and microscopic properties (transport characteristics, wetting behavior and bulk structuring) as well as possible applications that could benefit from these fluorinated ILs (FILs). The introduction of elongated perfluorocarbon segments in the ILs’ cation or anion resulted in increased melting points and viscosities as well as an altered nanostructure through pronounced structuring in the bulk liquid. Furthermore, the FILs showed a significantly altered wetting behavior on different surfaces and it was demonstrated that a highly fluorinated representative could be used in thermoregulated fluorous biphasic catalysis for the retention of a palladium catalyst. In contrast to this, anions containing trifluoromethyl groups showed improved transport properties due to increased charge delocalization.

Ionische Flüssigkeiten (ILs) sind eine vielseitig abstimmbare neue Materialklasse, die eine einzigartige Eigenschaftskombination für ein großes Spektrum an Anwendungen bietet. Die immense Anzahl an möglichen ILs für die Einbindung in fortgeschrittene Technologien erfordert ein detailliertes Wissen über deren Synthese, physikochemische Eigenschaften und mikroskopische Wechselwirkungen, die das makroskopische Verhalten bestimmen. Die Einführung fluorierter Alkylgruppen kann die Eigenschaften von ILs auf verschiedene, vorteilhafte Weisen ändern. Die Ziele dieser Arbeit waren die systematische Untersuchung der Synthese von neuen ILs mit perfluorierten Gruppen, die daraus resultierenden makro- und mikroskopischen Eigenschaften (Transportgrößen, Benetzungsverhalten und Flüssigstruktur) sowie möglichen Anwendungen, die von der Verwendung dieser fluorierten ILs (FILs) profitieren. Die Einführung langer Perfluorokohlenstoff-Ketten in Kation oder Anion von ILs führte zu höheren Schmelzpunkten und Viskositäten sowie einer veränderten Nanostruktur durch die ausgeprägtere Bulk-Strukturierung. Darüber hinaus zeigten die FILs ein deutlich verändertes Benetzungsverhalten auf verschiedenen Oberflächen und es wurde demonstriert, dass ein hochfluorierter Vertreter zur Immobilisierung eines Palladium-Katalysators in einer thermoregulierten fluorigen Zweiphasenkatalyse genutzt werden kann. Im Gegensatz dazu zeigten Anionen mit Trifluormethylgruppen verbesserte Transporteigenschaften durch stärkere Ladungsdelokalisation.