WO2010106121A1 - Lösemittelfreie herstellung von magnesiumformiat-basiertem porösen metallorganischen gerüstmaterial - Google Patents

Lösemittelfreie herstellung von magnesiumformiat-basiertem porösen metallorganischen gerüstmaterial Download PDF

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    • C07C51/412—Preparation of salts of carboxylic acids by conversion of the acids, their salts, esters or anhydrides with the same carboxylic acid part

Definitions

  • the present invention relates to a process for the preparation of a magnesium-formate-based porous organometallic framework.
  • Magnesium formate as a porous organometallic framework material represents an interesting organometallic coordination polymer, which, due to its porosity, is suitable for the adsorption of gases.
  • the framework material is carried out in N, N-dimethylformamide as a solvent.
  • An object of the present invention is thus to provide such a method.
  • the object is achieved by a method for producing a magnesium formate-based porous organometallic framework comprising the steps
  • magnesium formate-based is intended to indicate that the framework of the porous organometallic framework is constituted by formate anions and magnesium cations, although some of the formate may also be present in protonated form, so that the framework material may also exhibit "defects.”
  • the organometallic framework material may contain acetic acid or formate or other substances due to its porosity in the pores, but these are not considered part of the framework.
  • step (a) of the process according to the invention magnesium or magnesium oxide is added to formic acid.
  • the addition is carried out under a protective gas atmosphere such as an argon atmosphere.
  • a protective gas atmosphere such as an argon atmosphere.
  • metallic magnesium is used, this is preferably in the form of magnesium turnings.
  • the molar amount of formic acid in relation to magnesium or magnesium oxide preferably corresponds to at least a 2.5-fold molar excess. Further preferably, the excess is at least 5 times.
  • the purity of the formic acid is preferably at least 95%, more preferably at least 98%, more preferably at least 99%.
  • pure formic acid is used.
  • the formic acid is anhydrous.
  • step (a) when using magnesium oxide cooling due to the exothermic reaction in step (a) may be required.
  • the addition is preferably carried out so that the temperature is less than 100 0 C, in particular from 50 to 80 0 C.
  • step (b) of the process according to the invention preferably takes place for at least 30 minutes, more preferably for at least 45 minutes, and in particular for at least one hour. Preferably, this is less than 10 hours, more preferably less than 7.5 hours, and most preferably less than 5 hours.
  • the reaction can be carried out under pressure so that higher temperatures than the boiling temperature of formic acid are possible.
  • the pressure is at most 2 bar (absolute). More preferably, however, the pressure is at most 1230 mbar (absoulut). Most preferably, the reaction takes place at atmospheric pressure. However, this may lead to slight overpressure or depression due to the apparatus. Therefore, in the context of the present invention, the term "atmospheric pressure" is to be understood as the pressure range which results from the actual atmospheric pressure of +/- 150 mbar.
  • the stirring in step (b) is carried out at least at a temperature of 75 ° C.
  • the temperature is at least 90 0 C. More preferably, however, the temperature is at most 1 10 0 C, in particular, a temperature range of 95 to 105 0 C preferred.
  • the stirring in step (b) of the process according to the invention is carried out under reflux, in particular at atmospheric pressure.
  • a filtration step takes place in step (c) of the process according to the invention.
  • a suspension Due to the resulting magnesium formate-based porous organometallic framework, a suspension has formed, which is filtered off accordingly.
  • the filtration is carried out in the presence of a solvent.
  • This solvent may be added to the suspension prior to filtration, after filtration or during filtration.
  • the suspension is taken up with a solvent and the resulting mixture is fed to the filtration.
  • the solvent is preferably acetone.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Magnesiumformiat-basierten porösen metallorganischen Gerüstmaterials die Schritte enthaltend (a) Zugeben von Magnesium oder Magnesiumoxid zu Ameisensäure; (b) Rühren der Reaktionsmischung bei mindestens 75°C; (c) Abfiltrieren der entstandenen Suspension.

Description

Lösemittelfreie Herstellung von Magnesiumformiat-basiertem porösen metallorganischen Gerüstmaterial
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Magnesiumfor- miat-basierten porösen metallorganischen Gerüstmaterials.
Magnesiumformiat als poröses metallorganisches Gerüstmaterial stellt ein interessan- tes metallorganisches Koordinationspolymer dar, welches aufgrund seiner Porosität für die Adsorption von Gasen geeignet ist.
Eine nähere Untersuchung dieses Stoffes wurde beispielsweise von J.A. Rood et al., Inorg. Chem. 45 (2006), 5521-5528 durchgeführt.
Ebenso wird in der internationalen Anmeldung mit der Anmeldenummer PCT/EP2009/053130 die Herstellung von Magnesiumformiat metallorganischem Gerüstmaterial sowie dessen Verwendung zur Methanspeicherung beschrieben.
In dem oben genannten Stand der Technik wird das Gerüstmaterial in N, N- Dimethylformamid als Lösemittel durchgeführt.
Trotz der guten Ergebnisse bei der Herstellung des Magnesiumformiat-basierten porösen metallorganischen Gerüstmaterials besteht ein Bedarf an weiteren Verfahren, die insbesondere den Einschluss von Lösemittel wie DMF vermeiden und in guten Ausbeuten und auf möglichst einfache Weise das gewünschte Gerüstmaterial ergeben.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt somit darin, ein solches Verfahren zur Verfügung zu stellen.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Magnesiumformiat- basierten porösen metallorganischen Gerüstmaterials die Schritte enthaltend
(a) Zugeben von Magnesium oder Magnesiumoxid zu Ameisensäure; (b) Rühren der Reaktionsmischung bei mindestens 75°C; (c) Abfiltrieren der entstandenen Suspension.
Es hat sich nämlich gefunden, dass eine lösemittelfreie Synthese zu guten Resultaten führt, wobei die in flüssiger Form vorliegende Ameisensäure sowohl als Reagens als auch als Lösemittel fungiert. Solche Herstellverfahren werden typischerweise als „lösemittelfrei" bezeichnet, da keine nicht an der Reaktion beteiligte Flüssigkeit, welche üblicherweise in großem Überschuss im Vergleich zu den Reaktanten vorliegt, eingesetzt wird.
Der Begriff „Magnesiumformiat-basiert" soll zum Ausdruck bringen, dass das Gerüst des porösen metallorganischen Gerüstmaterials durch Formiat-Anionen und Magnesiumkationen aufgebaut ist. Dennoch kann ein Teil des Formiats auch in protonierter Form vorliegen, so dass das Gerüstmaterial auch „Fehlstellen" aufweisen kann. Darüber hinaus kann das metallorganische Gerüstmaterial aufgrund seiner Porosität in den Poren Essigsäure oder Formiat oder auch andere Stoffe enthalten, die jedoch nicht als Teil des Gerüstmaterials zu betrachten sind.
In Schritt (a) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird Magnesium oder Magnesiumoxid zu Ameisensäure gegeben.
Es ist bevorzugt, dass die Zugabe unter einer Schutzgasatmosphäre wie einer Argonatmosphäre durchgeführt wird. Dies gilt insbesondere, wenn Magnesium eingesetzt wird. Sofern metallisches Magnesium eingesetzt wird, liegt dies vorzugsweise in Form von Magnesiumspänen vor. Die molare Menge an Ameisensäure im Verhältnis zu Magnesium oder Magnesiumoxid entspricht vorzugsweise mindestens einem 2,5- fachen molaren Überschuss. Weiterhin bevorzugt beträgt der Überschuss mindestens das 5-Fache.
Die Reinheit der Ameisensäure beträgt vorzugsweise mindestens 95%, weiter bevor- zugt mindestens 98%, weiter bevorzugt mindestens 99%. Insbesondere wird reine Ameisensäure eingesetzt. Vorzugsweise ist die Ameisensäure wasserfrei.
Insbesondere beim Einsatz von Magnesiumoxid kann aufgrund der exothermen Reaktion eine Kühlung in Schritt (a) erforderlich sein. Die Zugabe erfolgt vorzugsweise da- hingehend, dass die Temperatur weniger als 1000C, insbesondere von 50 bis 800C beträgt.
Nach erfolgter Zugabe wird das gebildete Reaktionsgemisch in Schritt (b) des erfindungsgemäßen Verfahrens gerührt. Vorzugsweise erfolgt dies mindestens 30 Minuten lang, weiter bevorzugt mindestens 45 Minuten lang und insbesondere mindestens eine Stunde. Vorzugsweise erfolgt dies weniger als 10 Stunden, mehr bevorzugt weniger als 7,5 Stunden und insbesondere weniger als 5 Stunden.
Die Umsetzung kann unter Druck erfolgen, so dass höhere Temperaturen als die Sie- detemperatur von Ameisensäure möglich sind. Vorzugsweise beträgt der Druck jedoch höchstens 2 bar (absolut). Weiter bevorzugt beträgt der Druck jedoch höchstens 1230 mbar (absoulut). Insbesondere bevorzugt findet die Umsetzung bei Atmosphärendruck statt. Hierbei kann es jedoch apparativ bedingt zu leichten Über- oder Unterdrücken kommen. Daher ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung unter dem Begriff „Atmo- sphärendruck" derjenige Druckbereich zu verstehen, der sich aus dem tatsächlich vorliegenden Atmosphärendruck +/- 150 mbar ergibt.
Das Rühren in Schritt (b) wird mindestens bei einer Temperatur von 75°C durchgeführt. Vorzugsweise beträgt die Temperatur jedoch mindestens 900C. Weiter bevorzugt be- trägt die Temperatur jedoch höchstens 1 100C, insbesondere ist ein Temperaturbereich von 95 bis 1050C bevorzugt. Ganz besonders bevorzugt erfolgt das Rühren in Schritt (b) des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Rückfluss, insbesondere bei Atmosphärendruck.
Nach Schritt (b) des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt in Schritt (c) des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Filtrationsschritt. Aufgrund des entstandenen Magnesi- umformiat-basierten porösen metallorganischen Gerüstmaterials ist eine Suspension entstanden, die entsprechend abfiltriert wird. Vorzugsweise erfolgt das Abfiltrieren in Gegenwart eines Lösemittels. Dieses Lösemittel kann vor dem Abfiltrieren, nach dem Abfiltrieren oder während des Abfiltrierens der Suspension zugefügt werden. Vorzugsweise wird die Suspension mit einem Lösemittel aufgenommen und das so entstandene Gemisch der Filtration zugeführt. Bei dem Lösemittel handelt es sich vorzugsweise um Aceton.
Beispiele
Beispiel 1 Herstellung des Magnesiumformiat-basierten metallorganischen Gerüstmaterials mit Hilfe von metallischem Magnesium
1 ) 5 g Magnesium-Späne (24,3 g/mol) = 205,8 mmol
2) 100 g Ameisensäure (46.0 g/mol) = 2174 mmol
a) Synthese: Ameisensäure wird unter Argon vorgelegt und Magnesium-Späne portionsweise innerhalb 1 h zugegeben (exotherm bis 40°C). Es wird 2h weitergerührt (Temperaturerhöhung auf 55°C, Lsg. wird trübe). Danach auf Rückfluß (RF)- Temperatur erhitzt und 1 h unter RF gekocht.
b) Aufarbeitung: Bei Raumtemperatur wird die entstandene Suspension in 250 ml Aceton eingerührt und abfiltriert sowie 2x mit je 100 ml Aceton nachgewaschen. c) Trocknung: Das Gerüstmaterial wird in einer Porzellanschale 16h bei 1300C und 50 mbar im Vacuumtrockenschrank getrocknet.
Farbe: farblos Ausbeute: 21 ,3 g
Elementaranalyse C: 20,8 Gew.%, H: 1 ,8 Gew.%, O: 56 Gew.%, Mg: 21 ,2 Gew.%
BET 583 m2/g nach Langmuir
Bespiel 2 Herstellung des Magnesiumformiat-basierten metallorganischen Gerüstma- terials mit Hilfe von Magnesiumoxid
1 ) 16,6 g Magnesiumoxid (40,3 g/mol) = 412 mmol
2) 120 g Ameisensäure (46.0 g/mol) = 2609 mmol
a) Synthese: Ameisensäure wird in einem 0,25 I Vierhalskolben vorgelegt und Magnesiumoxid vorsichtig unter leichter Kühlung zugegeben (stark exotherm bis 75°C). Danach wird auf 1000C erhitzt und 1 h bei 1000C gerührt.
b) Aufarbeitung: Bei Raumtemperatur wird die entstandene dickflüssige Suspension in 300 ml Aceton eingerührt und abfiltriert sowie 2x mit je 200 ml Aceton nachgewaschen
(gut filtrierbar).
c) Trocknung: In Porzellanschale dei das Gerüstmaterial 16h bei 1300C und 50 mbar im Vacuumtrockenschrank getrocknet.
Farbe: farblos
Ausbeute: 42,3 g
Elementaranalyse C: 20,9 wt.%, H: 1 ,8 wt.%, O: 56 wt.%, Mg: 21 ,0 wt.%,
BET 556 m2/g nach Langmuir

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Magnesiumformiat-basierten porösen metallorganischen Gerüstmaterials die Schritte enthaltend (a) Zugeben von Magnesium oder Magnesiumoxid zu Ameisensäure;
(b) Rühren der Reaktionsmischung bei mindestens 75°C;
(c) Abfiltrieren der entstandenen Suspension.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass bezogen auf das Magnesium Ameisensäure mit mindestens einem 2,5-fachen molaren Über- schuss eingesetzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Magnesium in Form von Magnesiumspänen eingesetzt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Zugeben unter Schutzgasatmosphäre erfolgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ameisensäure eine Reinheit von mindestens 95 % aufweist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Rühren mindestens 30 Minuten erfolgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Rühren unter Atmosphärendruck erfolgt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Rühren bei mindestens 900C erfolgt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Abfiltrieren oder während des Abfiltrierens die entstandene Suspension mit einem Lösemittel in Kontakt gebracht wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Lösemittel Aceton ist.
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