Halogen-free synthesis of 1,3-dialkylimidazolium ionic liquids

Ionische vloeistoffen: honingachtige producten voor een groene industrie

‘Chemische rommel’, ‘kankerverwekkende brol’ en ‘gevaarlijke fabrieken’ zijn niet eens de meest extreme termen die reeds gebruikt zijn om de chemische industrie te omschrijven. Het is inderdaad waar dat deze branche, niet geheel onterecht, met een zeer milieuonvriendelijk imago verveeld zit. Maar sommige processen kunnen aanzienlijk groener gemaakt worden door het gebruik van speciale oplosmiddelen: ‘ionische vloeistoffen’. Deze verbindingen hebben een aantal groene en daardoor nuttige eigenschappen voor de industrie, waardoor deze een pak minder milieubelastend kan zijn.

Ionische vloeistoffen voor een groenere industrie

Ionische vloeistoffen zijn speciale verbindingen: net zoals keukenzout bestaan ze uit negatieve (anionen) en positieve (kationen) geladen deeltjes. Maar doordat de deeltjes groot en complex zijn, kunnen ze in tegenstelling tot keukenzout niet stollen en blijven ze vloeibaar, vandaar: ‘ionische vloeistoffen’. Door de aantrekking tussen de geladen deeltjes zijn ionische vloeistoffen in zuivere vorm vaak viskeus en kleverig. Dit, samen met het feit dat ze vaak lichtbruin of donkergeel gekleurd zijn, zorgt ervoor dat ze sterk op honing lijken.

Het feit dat ze volledig uit geladen deeltjes bestaan, zorgt er ook voor dat ze een verwaarloosbare dampspanning hebben. Dit betekent dat ze niet vluchtig en dus praktisch onmogelijk te verdampen zijn. Dit is één van de grootste troeven van ionische vloeistoffen, aangezien ze daardoor een streepje voor hebben op de huidige oplosmiddelen. Deze laatste zijn immers zeer vluchtig waardoor ze bij storingen en lekken gemakkelijk ontsnappen en zich snel verspreiden in het milieu. Het overschakelen naar ionische vloeistoffen zou een enorm veiligheidsvoordeel inhouden en kan ook de impact op het milieu drastisch verlagen.

Thermomorf gedrag

Een toepassing waarvoor ionische vloeistoffen uitermate geschikt zijn is de scheiding van metalen. Hierbij wordt een waterige oplossing van verschillende metaalionen in contact gebracht met de ionische vloeistof. Sommige metaalionen zullen dan specifiek vanuit de waterlaag opgenomen worden door de ionische vloeistof. Via zulke processen kunnen metalen uit afvalstromen (zowel industrieel afval als bijvoorbeeld elektronica) gescheiden en gerecycleerd worden tot zuivere metalen. Aangezien de ionische vloeistof en het water achteraf gescheiden moeten worden is dit alleen mogelijk als deze niet mengbaar zijn, zoals water en olie. Dit is voor veel van de ionische vloeistoffen het geval. Een nadeel is dat men daarom stevig moet roeren om de metaalionen van het water naar de ionische vloeistof te laten gaan, wat door de hoge stroperigheid heel wat energie kost. Maar de magie van ionische vloeistoffen biedt ook hier soelaas: sommige ionische vloeistoffen vertonen een mengbaarheid met water die afhangt van de temperatuur. Dit gedrag: ‘thermomorf gedrag’, is het best voor te stellen als een mengsel van olijfolie en water (die niet mengen) dat bij verwarming plots wel zou mengen. Doordat de ionische vloeistof en het water nu oplossen in elkaar is de migratie van de metaalionen naar de ionische vloeistof perfect, en dit zonder stevig te moeten roeren (waardoor er nu minder energie nodig is). Door het mengsel enkele graden te koelen scheiden de twee lagen opnieuw en kunnen ze apart verzameld worden.

Recyclage van kritieke metalen

De scheiding van metalen via ionische vloeistoffen is relatief duur en daarom niet economisch verantwoord voor goedkopere metalen zoals ijzer en aluminium. Voor de duurdere en minder voorhanden ‘kritieke metalen’ is deze techniek wel economisch interessant. De kritieke metalen zijn essentieel voor een duurzame economie met lage CO2 emissie, maar daardoor zijn ze ook zeer gegeerd. Hierdoor is er een nakend tekort in het aanbod van deze metalen, zeker aangezien de productie niet gelijk verspreid is. Zo ontgint China 90% van de ‘zeldzame aarden’ (een grote groep van de kritieke metalen). Dit quasi-monopolie maakt het Westen enorm afhankelijk van China, die allesbehalve stabiele exportquota hanteert. De westerse landen doen er dus goed aan om in te zetten op de recyclage van deze kritieke metalen uit afvalstromen binnen de eigen grenzen. Aangezien deze afvalvormen mengelingen van kritieke metalen bevatten, is de scheiding een cruciale stap in het recyclageproces. Het is in deze scheiding dat het gebruik van ionische vloeistoffen enorme voordelen kan hebben, aangezien ze bovenop hun groene eigenschappen ook goed metalen kunnen oplossen en soms thermomorf gedrag vertonen.

Synthese van ionische vloeistoffen

Doordat zowel het negatieve (anion) als het positieve deeltje (kation) zeer veel variatie kan vertonen, wordt het totaal aantal mogelijke ionische vloeistoffen geschat op een miljard. Ondanks deze gigantische variatie wordt er slechts een beperkt aantal ionische vloeistoffen gemaakt en onderzocht. Dit komt doordat onderzoekers vaak kiezen voor gemakkelijk te produceren stofjes of weinig onderzoek doen naar het maken van nieuwe ionische vloeistoffen. Hierdoor wordt een groot deel van de ionische vloeistoffen over het hoofd gezien en blijven we in het duister over eventuele ideale eigenschappen. Een goed voorbeeld hiervan is het maken van een ‘imidazolium’ kation, dit gebeurt slechts via een beperkt aantal procedures waardoor maar één vijfde van de manieren om dit kation te beïnvloeden gebruikt wordt. Ook het achterblijvende negatieve deeltje is via deze manier tot slechts een handvol mogelijkheden beperkt.

In deze masterthesis werd een nieuwe synthesemanier van deze ‘imidazolium’ ionische vloeistoffen onderzocht. In tegenstelling tot de meest gangbare procedure, werd een synthese vanuit kleine basismoleculen onderzocht. In een zogenaamde ‘een-pot-reactie’ klikken veel moleculen tegelijk in elkaar om een ionische vloeistof te vormen. Het gebruik van azijnzuur (een geconcentreerde variant van huishoudazijn) zorgde ervoor dat achteraf veel andere anionen ingebouwd konden worden. Op deze manier was er een synthese toegankelijk van ionische vloeistoffen met speciale en aanpasbare kationen en met een immens gamma aan mogelijke anionen. Via deze procedure werd een hele reeks ionische vloeistoffen gemaakt waarvan er zelfs eentje thermomorf gedrag vertoont met water. Een opmerkelijke ontdekking aangezien er slechts een handvol voorbeelden met zulke eigenschappen bekend zijn.

Dit onderzoek resulteerde in een ruim toepasbaar recept voor imidazolium ionische vloeistoffen, waardoor er meer ionische vloeistoffen gemaakt en onderzocht kunnen worden. Zo kunnen ionische vloeistoffen nog beter bijdragen aan een milieuvriendelijke industrie, want het mag dan wel de eerste keer zijn dat je van ionische vloeistoffen hoort, het zal zeker niet de laatste keer zijn.