离子液体[BMIm]Cl的合成与表征

1、离子液体 BMImCl 的合成与表征离子液体 1-2 （ ionic liquid ）兼有极性与非极性有机溶 剂的溶解特性， 对有机、金属有机、 无机化合物有很好的溶解性， 溶解在离子液体中的催化剂， 同时具有均相与非均相催化剂的优 点，催化反应有高的反应速率与高的选择性， 与传统的易挥发有 机溶剂（the volatile organic compounds , VOCS 相比具有无 味，不燃，易于产物分离，易回收，可循环使用的优点，可见离 子液体在作为与环境友好的“洁净”溶剂方面有很大的潜力 3-5 。本研究包括（ 1）离子液体 BMImCl 的合成；（ 2）离子 液体 BMImCl 的表

2、征及量子化学计算。1 实验部分1.1 试剂N-甲基咪唑（工业级，浙江临海化工厂），氯代正丁烷（n-BuCl，AR，氢氧化钠（NaOH，浓硫酸（H2SO4，碳酸 氢钠（NaHCO3，乙酸乙酯（EA，高纯氮气（N2）。1.2 仪器傅立叶变换红外光谱仪测试系统（ Nicolet 8700，美国热电 仪器公司），超导傅立叶数字化核磁共振谱仪（ AVANCEIII 400 MHz瑞士布鲁克公司），数显恒温搅拌油浴锅（ HH-S4,金坛市 白塔金昌实验仪器厂），真空干燥箱（ 101A-3 ，上海实研电炉 XX公司）。1.3 方法与步骤1.3.1 原料的预处理 N- 甲基咪唑的预处理：常温下取 100 mL

3、 N-甲基咪唑，加入23 g NaOH搅拌进行干燥脱水，在 N2保 护下取（180土 10）C馏分即为所得纯品。氯代正丁烷的预处理：用适量浓 H2SO4多次洗涤n-BuCI至 酸层无色，用1 mol/L的NaHCO水溶液中和后，在N2保护下取（70 10）C馏分即为所得纯品。1.3.2 离子液体 BMImCl 的合成如图 1 所示，在装有回流冷凝管、滴液漏斗和氮气导管（兼含温度计）的 500 mL三口烧 瓶中，按摩尔比1.1 : 1加入N-甲基咪唑70 m（约合0.878 mol）, 并将 100 mL n-BuCl （约合 0.957 mol ）装入滴液漏斗，设置油 浴加热温度70 C,在N

4、2保护下将n-BuCl在2 h内滴加完毕， 之后继续加热搅拌回流反应 48 h，得到的粘稠液体在0 C以下 冷冻12 d后结晶。抽滤晶体后，用EA反复洗涤，如图2所示。在50 C、0.08 MPa下真空干燥脱除残留的 EA后，得到白色固 体产品氯代 1-丁基-3- 甲基咪唑（ 1-butyl-3-methylimidazolium chloride，记为BMImCI，下同），产率 93% （真空干燥后的固体应立即称量或使用，否则极易吸水）。1.3.3 BMImCl 的表征利用红外光谱仪和核磁共振谱仪（CDCl3作溶剂）对合成的离子液体BMImCl的化学结构进行表 征。1.3.4 BMImCl

5、的量子化学计算 使用 Materials Studio 5.5 计算工作站对 BMImCl 进行了分子建模， 并使用 Dmol3 模块 对其结构进行了量子化学计算和优化。2 结果与讨论2.1 BMImCl 的合成反应式N-甲基咪唑和氯代正丁烷反应合成离子液体BMImCI的反应方程式如图 3 所示。2.2 BMImCI 的红外结构表征图4中，3 416 cm-1是咪唑环甲基侧链 C-H键伸缩振动吸 收峰，2 961 cm-1是丁基取代基上-CH3的C-H伸缩振动峰，2 874 cm-1是丁基取代基上-CH2-的伸缩吸收峰，1 636 cm-1是咪唑环 上C=C伸缩振动峰，1 570 cm-1是咪

6、唑环中C=N伸缩振动吸收 峰，1 465 cm-1是丁基侧链-CH2-上的C-H面内弯曲振动峰。1 169 cm-1是咪唑环中的 C-H弯曲振动峰，754 cm-1是咪唑环的弯曲 振动峰，3 416 cm-1是少量杂质水带来的-OH峰。FTIR(film ) /cm-1 v =2961, 2 874( v C-H) ; 1 636 ( v C=C);1 570 ( v C=N); 1 465 ( p C-H); 1 169 ( 5 C-H);754( 5咪唑环)。2.3 BMImCl 的核磁结构表征 在实测谱图 5b 上，化学位 移5为0.9是丁烷基侧链上-CH3的氢原子，5为1.4是丁烷基

7、上连接-CH3上的-CH2-氢原子，5为1.9是丁烷基上中间的-CH2- 氢原子，5为4.1是与咪唑环上N相连的甲基侧链-CH3上的氢 原子，5为4.3是丁烷基与咪唑环上 N相连的-CH2-氢原子，5 为7.4和7.5分别是咪唑环上 CH=CH寸应的氢原子，5为10.7 是咪唑环上N=CH-N上的氢原子。尽管由于电负性差异造成实测谱图与理论谱图在化学位移 上略有差别，但从峰强度和H分布基团角度来看，所合成的物质 可判定为 BMIMCl ，且其杂质较少，含水量低于 1%。其数据为 1H NMR （400 MHz CHLOROFORM-D27 C ） ppm0.93 （td， J=7.34， 1.

8、63 Hz， 3 H） 1.35 （ddd， J=15.18， 7.40 ， 1.51 Hz，2 H） 1.87（m，2H） 4.10（d， J=1.25 Hz， 3H） 4.30（t， J=7.40Hz，2H） 7.38（dd， J=3.39 ， 1.63Hz，1H） 7.50（m，1H） 10.66（d，J=8.78Hz，1H）。2.4 BMIMCl 结构的理论计算BMIMCl 分子是通过离子氢键将阳离子 BMIM+ 与阴离子Cl-结合而形成，其间会有电子转移，但BMIM+因电子云密度较 小而显正电性，Cl-则显负电性。根据理论推测，BMIMCI分子 的HOM应该大部分存在于 Cl-上，而

9、LUMOW会集中出现在 BMIM+上。量化计算结果证明了这种推测，如图6所示。图6a中，BMIMCI分子的HOM全部存在于Cl-上，因为阴 离子在形成过程中，由于电子在 Cl- 轨道中转移，使其轨道更易 填满。由于HOM（的存在，Cl原子轨道能级为所有填充轨道中最 高的。而图6b所示的LUMO部分出现在BMIM+部分，且主要 集中于咪唑环上，这是由于丁基与N原子结合后，在N-C-N三个 原子之间形成一个由两个电子与一个空轨道组成的大n键，与H2有很强的H- n共轭效应，可以形成较强的分子内氢键，令整个离子因缺少一个电子而显正电性，且正电荷存在于咪唑环内。LUMO勺存在说明若有多余电子，咪唑环上的空余分子轨道将被 优先填充。对比图5实测数据可明显发现，咪唑环上CH=CH寸应化学位 移左偏，咪唑环上 N=CH-N和甲基侧链右偏，该