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

• Antragsteller: Professor Dr. Ralf Ludwig
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• 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