Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Ionische Fl\u00fcssigkeiten (ILs) sind eine attraktive neue Materialklasse, deren weite Verwendbarkeit in den verschiedensten Bereichen angewandter wie grundlegender Chemie und Verfahrenstechnik gerade am Durchbrechen ist. Eine Besonderheit von ILs liegt in ihrem Potential, die physikalischen Eigenschaften \u00fcber einen weiten Bereich – je nach Bedarf – Ma\u00dfschneidern zu k\u00f6nnen. Da es nach Vorhersagen etwa 1012 bis 1018 verschiedene ILs geben soll, sind dazu allerdings normalerweise sehr viele Experimente nach dem Prinzip von Trial und Error durchzuf\u00fchren. Optimalerweise sollten daher Methoden entwickelt werden, mit denen Schl\u00fcsseleigenschaften ionischer Fl\u00fcssigkeiten – inklusive Risikobewertung und Gefahrenpotenzialanalyse – bereits vor der Synthese ermittelt\/abgesch\u00e4tzt werden k\u00f6nnen.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenAn der Uni Freiburg wurden und werden Methoden zur stichhaltigen Vorhersage der grundlegenden physikalischen Eigenschaften potentieller ILs entwickelt, die bisher nur auf dem Papier existieren. Diese Eigenschaften werden durch eine Kombination aus quantenchemischen Rechnungen (Turbomole) und einer statistischen Analyse des Oberfl\u00e4chenpotentials der Ionen der IL (COSMOtherm) erhalten. Beide Programme werden vom Projektpartner COSMOlogic entwickelt und vertrieben.
\nDie Vorhersage der physikalischen IL Eigenschaften soll im Rahmen des Projektes in das Computerprogramm COSMOtherm der Firma COSMOlogic eingebaut werden. Damit soll ein f\u00fcr den Anwender leicht bedienbares Programm zur Ermittlung der physikalischen Eigenschaften von ILs vor deren erster Synthese entstehen, welches durch die Firma COSMOlogic kommerzialisiert werden soll. Die zu entwickelnde Funktionalit\u00e4t soll dabei nicht als eigenes Produkt, sondern als Erweiterung der bereits bestehenden Funktionalit\u00e4ten der COSMOtherm Software angeboten werden, um dadurch die Stellung von COSMOtherm als das zur Zeit am besten geeignete Vorhersageprogramm f\u00fcr Eigenschaften Ionischer Fl\u00fcssigkeiten zu st\u00e4rken.
\nAm UFT wurde eine flexible toxikologische und \u00f6kotoxikologische Testbatterie etabliert, mit deren Testsystemen sich die Gefahrenpotenziale von Substanzen in der molekularen und zellul\u00e4ren Ebene bis hinauf zu aquatischen und terrestrischen Organismen analysieren lassen. Dabei hat sich gezeigt, dass vor allem physikalisch-chemische Parameter wie Hydrophobie, Oberfl\u00e4chenladungen, Dipolmomente und die Bildung von Ionenpaaren aus Kationen und Anionen der Ionischen Fl\u00fcssigkeiten gute Gr\u00f6\u00dfen zur Beschreibung der beobachteten toxikologischen Wirkungen darstellen.
\nDes Weiteren sollen zur Unterst\u00fctzung des Entwicklungsprozesses neuer, eigensicherer ILs, die beobachteten Toxizit\u00e4ten aus der flexiblen Testbatterie direkt mit physikalischen Gr\u00f6\u00dfen als Deskriptoren f\u00fcr Quantitative-Struktur-Wirkungs-Beziehungen (QSARs) verkn\u00fcpft werden. Diese sollen dann, \u00fcber einen mathematischen Algorithmus, eine Vorhersage des toxikologischen Gefahrenpotenzials von Substanzen erlauben, die bisher nur auf dem Papier entwickelt und f\u00fcr bestimmte technologische Anwendungen vorgeschlagen wurden und werden.
\nEine enge Verkn\u00fcpfung beider Forschungsvorhaben (UFT und Uni Freiburg) mit der Firma COSMOlogic soll so in zweifacher Weise zu vermarktungsf\u00e4higen Produkten f\u00fchren: Erstens wird das Programmpaket COSMOtherm um wichtige Pakete zur Berechnung toxikologisch relevanter Parameter, die auch bei anderen Substanzklassen als ILs von gro\u00dfer Bedeutung sind, erweitert. Und zweitens sollen die in Koope-ration entwickelten QSAR-Beziehungen als wichtige Dienstleistung am UFT im Rahmen der Entwicklung von eigensicheren, neuen Ionischen Fl\u00fcssigkeiten angeboten werden.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Anhand theoretischer \u00dcberlegungen wurden verschiedene berechenbare Gr\u00f6\u00dfen in Betracht gezogen, die in Kombination experimentelle Messgr\u00f6\u00dfen nachbilden k\u00f6nnen. Diese Gr\u00f6\u00dfen wurden teilweise mit unseren Kooperationspartnern ermittelt, teils aus der Literatur bezogen.
\nF\u00fcr biologisch unmittelbar relevante Ma\u00dfe wie die kritische Mizellenkonzentration (CMC), die eng mit der mikrobiologischen Abbaubarkeit von Chemikalien verkn\u00fcpft ist, sowie die toxische Konzentration (MIC), die die Giftigkeit gegen\u00fcber verschiedenen Bakterienarten ausdr\u00fcckt, haben wir Wege zur Berechnung er\u00f6ffnet, die keinerlei experimentellen Inputs mehr bed\u00fcrfen. Ebenso wurden f\u00fcr fundamentale thermo-dynamische Gr\u00f6\u00dfen wie z. B. molekulares Volumen, Dichte, Schmelzpunkt, Viskosit\u00e4t und viele andere wurden einfache und vielseitige Modelle entwickelt und validiert. Da die Modelle auf physikalischen Observablen und nicht auf Strukturparametern beruhen, sind die Modelle auch f\u00fcr noch unbekannte Systeme anwendbar. Die hierf\u00fcr notwendigen Berechnungen k\u00f6nnen an handels\u00fcblichen Computern mit Hilfe der Programme TURBOMOLE und COSMOtherm vorgenommen werden deren Output dann zur Vorhersage der gew\u00fcnschten Eigenschaften Verwendung findet; der Zeitaufwand liegt, je nach Gr\u00f6\u00dfe der Molek\u00fcle, bei unter einer bis zu wenigen Stunden. Zur Vereinfachung und Automatisierung der Berech-nungen der Eigenschaften wurden von der COSMOlogic GmbH die bisher vielversprechendsten Modelle in einem Computerprogramm implementiert.
\nProjekttreffen fanden am 18.08.08, am 15.10.08, am 23.10.09 und am 16.11.10 bei der COSMOlogic GmbH in Leverkusen statt.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Die erzielten Ergebnisse wurden der \u00d6ffentlichkeit wie folgt pr\u00e4sentiert:
\n–\tper Vortrag:
\no\t10.03.08 Langenzell (Schweiz).
\no\t16.09.08 Hornberg (Jahreskolloquium des Freiburger Materialforschungszentrums).
\no\t16.03.09 St. Stephan (Schweiz).
\no\t26.03.09 MPI Stuttgart.
\no\t01.04.09 Leverkusen (COSMO-RS-Symposium).
\no\t29.04.09 Imperial College in London.
\no\t12.05.09 Frankfurt (ACHEMA).
\no\t01.06.09 Cairns (Australien) (COIL-3 Presymposium Workshop).
\no\t02.12.09 Rostock (winter school des DFG-SPP 1191 Ionische Fl\u00fcssigkeiten).
\no\t05.03.09 Bamberg (DFG-SPP 1191 Treffen).
\no\t05.11.09 Bamberg (DFG-SPP 1191 Treffen).
\no\t05.03.09 Potsdam (DFG-SPP 1191 Treffen).
\no\t16.03.10 Bamberg (Symposium des DFG-SPP 1191 Ionische Fl\u00fcssigkeiten).
\no\t22.01.09 Universit\u00e4t Rostock.
\no\t12.02.09 Universit\u00e4t Konstanz.
\no\t19.06.09 Universit\u00e4t Leipzig.
\no\t21.07.09 Universit\u00e4t M\u00fcnster (GDCh-Vortrag).
\no\t12.11.09 Nashville (USA) (AlChE Meeting).
\no\t24.05.10 Eibar (Spanien) (Workshop: ionic lubricants).
\no\t23.11.10 Dresden (Chemisches Kolloquium)
\no\t28.04.2011 Freiburg (7th BlackForestGrid Workshop).
\n–\tper Poster:
\no\t04.07.08 Universit\u00e4t Freiburg (Tag der Forschung).
\no\t30.03.-01.04.09 Leverkusen (COSMO-RS-Symposium).
\no\t02.-05.06.09 Cairns (Australien) (COIL-3).
\no\t01-.04.12.09 Rostock (winter school des DFG-SPP 1191 Ionische Fl\u00fcssigkeiten).
\no\t12.-14.12.07 Bamberg (DFG-SPP 1191 Treffen).
\no\t04.-06.03.09 Bamberg (DFG-SPP 1191 Treffen).
\no\t04.-06.11.09 Potsdam (DFG-SPP 1191 Treffen).
\no\t14.-19.03.10 Bamberg (Symposium des DFG-SPP 1191 Ionische Fl\u00fcssigkeiten).
\n–\tper Ver\u00f6ffentlichung:
\no\tU. Preiss, J. M. Slattery, I. Krossing: In Silico Prediction of Molecular Volumes, Heat Capacities, and Temperature-Dependent Densities of Ionic Liquids, Ind. Eng. Chem. Res. 2009, 48, 2290.
\no\tU. Preiss, C. Jungnickel, J. Th\u00f6ming, I. Krossing, J. Luczaka, M. Diedenhofen, A. Klamt: Predicting the Critical Micelle Concentrations of Aqueous Solutions of Ionic Liquids and Other Ionic Surfactants, Chem. Eur. J. 2009, 15, 8880 – 8885.
\no\tC. Jungnickel, M. Markiewicz, U. Preiss, W. Mrozik, P. Stepnowski: Interaction of imidazolium type ionic liquids with the solid phase, J. Optoelectron Adv. Mater. Symposia 2009, 1, 82.
\no\tU. Preiss, S. Bulut, I. Krossing: In Silico Prediction of the Melting Point of Ionic Liquids: A Case Study, J. Phys. Chem. B 2010, 114, 11133.
\no\tU. Preiss, V. N. Emelyanenko, S. P. Verevkin, D. Himmel, Y. U. Paulechka, I. Krossing: The Temperature-Dependent Prediction of the Liquid Entropy of Ionic Liquids, ChemPhysChem 2010, 11, 3425.
\no\tP. Eiden, S. Bulut, T. K\u00f6chner, C. Friedrich, T. Schubert, I. Krossing: In Silico Predictions of the Temperature Dependent Viscosities, and Electrical Conductivities of Functionalized and Non-functionalized Ionic Liquids, J. Phys. Chem. B 2011, 115, 300.
\no\tU. Preiss, S. P. Verevkin, T. Koslowski, I. Krossing: Going Full Circle: Phase Transition Thermodynamics of Ionic Liquids, Chem. Eur. J. 2011, 17, 6508.
\no\tC.-W. Cho, U. Preiss, C. Jungnickel, S. Stolte, J. Arning, J. Ranke, A. Klamt, I. Krossing, J. Th\u00f6ming: Ionic Liquids: Predictions of physicochemical properties with experimental and\/or DFT-calculated LFER parameters to understand molecular interactions in solution. J. Phys. Chem. B, 2011, 115, 6040.
\no\tU. P. Preiss, W. Beichel, A. M. T. Erle, C. Sturm, Y. U. Paulechka, I. Krossing, Is a Universal, Simple Melting Point Prediction Possible? A Critical Assessment of Experimental Melting Point Determinations and Model Study on the Melting Point Prediction of 520 Diverse Organic 1:1 Salts, ChemPhysChem, 2011, akzeptiert.
\no\tC.-W. Cho, C. Jungnickel, S. Stolte, U. Preiss, J. Arning, J. Ranke, I. Krossing, J. Th\u00f6ming: Experimental determination of LFER parameters of 30 cations of ionic liquids. Faraday, 2011, eingereicht.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Zusammenfassend kann man sagen, dass die Projektziele erf\u00fcllt wurden. Es wurden eine Vielzahl wichtiger experimenteller Daten f\u00fcr die Bestimmung der Toxizit\u00e4t von ionischen Fl\u00fcssigkeiten erhoben. Mit deren Hilfe lie\u00dfen sich Modelle f\u00fcr deren Vorhersage finden. Ebenso die Vorhersage anderer fundamentaler Eigenschaften war erfolgreich. Auch das abschlie\u00dfende Ziel, die Implementierung in ein Computerprogramm f\u00fcr die einfache Verwendung der Vorhersagemodelle, konnte erfolgreich erreicht werden. Bei den Arbeiten zur Erf\u00fcllung des Projektes wurde von den Projektpartnern zudem eine Vielzahl von Beitr\u00e4gen in Fachzeitschriften und auf Konferenzen erarbeitet, wodurch die Ergebnisse der \u00d6ffentlichkeit vorgestellt wurden.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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