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Charakter und Einfluss von Wasserstoffbrückenbindungen auf die Mikrostukturen von ionischen Flüssigkeiten mittels Neutronenstreuung und molekulardynamischer Simulationen

Fachliche Zuordnung Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
Förderung Förderung seit 2020
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 450088079
 
In diesem Projekt wollen wir die Doppelgesichtigkeit der Wasserstoffbrückenbindung (H-Brücke) in hydroxyl-funktionalisierten ionischen Flüssigkeiten (ILs) mittels Neutronenstreuexperimenten (ND) und Molekulardynamischen (MD) Simulationen untersuchen. Kürzlich konnten wir zeigen, dass in dieser Familie von ILs zwei unterschiedliche H-Brücken vorliegen: Gewöhnliche H-Brücken zwischen Kation und Anion (ca) sowie schwer fassbare H-Brücken zwischen Kationen (cc), die aufgrund der repulsiven Coulomb-Wechselwirkung zwischen gleichgeladenen Ionen deutlich schwächer sein sollten. Entgegen dieser Erwartung konnten wir Strukturmotive von H-Brückengebundenen kationischen Clustern sowohl in der flüssigen Phase wie auch in der Gasphase nachweisen. In ersten ND-Experimenten mit reinen hydroxyl-funktionalisierten ILs konnten wir die Abstände für beide Typen von Wasserstoffbrücken bestimmen und zeigen, dass die (cc) H-Brücken trotz der abstoßenden Wechselwirkung zwischen den Kationen 10 ppm kürzer, also stärker sind als die (ca) H-Brücken. Die doppelgesichtige Natur der H-Brücken in hydroxyl-funktionalisierten ILs wirft nun grundsätzliche Fragen auf, die in diesem Projekt beantwortet werden sollen. Erstens liefern Mischungen von OH-funktionalisierten mit unfunktionalisierten ILs relevante Informationen über den Einfluss von OH-Defekten auf die Größe und Verteilung von (ca)- und (cc)-Clustern in ILs. Zweitens ermöglichen Mischungen aus ILs und Alkoholen, deren Moleküle strukturell den IL-Kationen gleichen, die Untersuchung von Ladungsdefekten beim Übergang von der ionischen zur molekularen Flüssigkeit. Drittens eröffnet die Zugabe eines Moleküls mit einem stark polaren Protonenakzeptor, der um die OH-Gruppen der IL konkurriert, einen Weg zur Steuerung der H-Brückenverteilung durch einen OH-Fänger. Mit Kenntnis der Größe und Verteilung von H-Brückengebundenen Clustern können die Eigenschaften der ILs und deren Mischungen in Abhängigkeit von Hydroxyl- und Ladungsdefekten oder OH-Fängern gezielt eingestellt werden, was für Wissenschaft und Technik von Bedeutung ist. Die direkte Bestimmung der Abstände (H O) und (O O), die ein Maß für die Stärke der H-Brücken in hydroxylfunktionalisierten ionischen und molekularen Flüssigkeiten darstellen, ist nur durch ND-Experimente und Unterstützung von MD-Simulationen möglich.
DFG-Verfahren Sachbeihilfen
 
 

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