离子液体的初步了解

离子液体的初步了解进入21世纪以来环境保护越来越被人们所重视，实施污染防治和清洁生产的战略已形成了世界性的共识。“绿色”这一名词的前缀已经渐渐深入人心，科技的研究与开发的重点也不断地转向环境友好体系下发展。越来越严格的绿色化标正在促使人们去打破传统，寻找一种更理想的生产途径。离子液体，作为一种新型的有机反应溶剂和催化剂正在走向生产，发挥重要作用。离子液体，又称为温室离子液体，以其能够在室温条件下以离子状态液态存在而引起了人们的重视。一般的离子化合物空间排列紧密粒子之间引力作用强大仅在高温熔融状态下才能以液态存在，而离子液体利用各种工艺使阴阳离子变得不对称减少粒子间的作用力，使能够随意排列而能够呈液态。一般离子液体由有机阳离子和无机阴离子组成，阳离子和阴离子的种类可以按照需要的性质搭配组合，所以离子液体理论上有一百亿种存在，不过现有人们能够用到的只有六百万种。虽然研究有如此多种的离子液体，但是我们目前用作绿色催化剂和溶剂的离子液体主要有三类:烷基铵类、烷基毗啶类、烷基咪唑类。那么离子液体为什么一经出世就受到了人们的特别关注呢？一、 离子液体的优点看看离子液体的优点：①离子液体具有非挥发特性，几乎没有蒸汽压，因此它们可用在高真空体系中，同时可减少因挥发而产生的环境污染问题。②具有较宽的稳定温度范围。通常在300r范围内为液体，有利于动力学控制;在高于200r时具有良好的热稳定性和化学稳定性。③具有良好的溶解性能。它们对无机和有机材料表现出良好的溶解能力。④通过对阴、阳离子的合理设计可调节其对无机物、水、有机物及聚合物的溶解性，并且其酸度可调至超酸。⑤易于与其它物质分离,可以循环利用。⑥稳定、不易燃、可传热、可流动，操作更加方便安全。⑦制备简单。⑧具有较弱的配位趋势。所以离子液体以其独有的这些优点性质，被认为是继水和超临界二氧化碳后的又一大类绿色溶剂而得到了人们的青睐。既然已经知道了离子液体所拥有的特点，那么我们必然要进一步的了解离子液体。二、 离子液体的性质了解离子液体的性质。在前面已经提到了离子液体可能的存在有一百亿种，那么随着离子液体中阳离子和阴离子的变化，离子液体的物理和化学性质会有很大的变化，根据不同的阴阳离子，阴阳离子不同的性质，离子液体的性质也会呈现有规律的变化：熔点熔点是评价离子液体的一个关键参数，因而研究离子液体的组成与熔点的系是非常必要的.在常见的离子液体中，咪唑盐熔点比同碳数的铵盐要低，而咪唑盐阳离子的大小、对称性、不同碳级数的取代基及取代基链长的改变均会响离子液体的熔点。随着阳离子不对称程度的提高,熔点相应下降.阴离子在大多数情况下，随着阴离子尺寸的增加，子液体的熔点相应下降。溶解性溶解性和溶解能力是作为反应介质的又一重要参数.离子液体的溶解性能在催化、萃取及电化学应用中有重要意义。它能够溶解有机物、无机物和聚合物等，是很多化学反应的优良溶剂，离子液体的溶解性与其阳离子和阴离子特性密切相关。热稳定性离子液体的热稳定性受杂原子-碳原子之间作用力和杂原子-氢键之间作用力的限制，因此与组成的阳离子、阴离子的结构和性质密切相关。一般来讲，咪唑类的离子液体热稳定性比季铵类的离子液体的热稳定性要好。随着咪唑环上取代基增多，离子液体的热稳定性随之提高。密度密度是相分离技术中一个非常重要的参数。离子液体的密度主要由阴、阳离子的类型决定，通过比较含不同取代基咪唑阳离子的氯铝酸盐的密度发现，离子液体的密度与咪唑盐阳离子上N-烷基链的长度几乎成线性关系。同时离子液体的密度也会随着其有机阳离子的变大而减小，这样可以通过阳离子结构轻微调整来调节离子液体的密度。阴离子对密度的影响更加明显，通常是阴离子越大，离子液体的密度也就越大。酸碱性离子液体的酸碱性主要是由阴离子的本性决定的。将Lewis酸加入到离子液体[bmim]+Cl中，当A1C13的摩尔分数x(AlCl3)<0.5时，离子液体呈碱性；当A1C13的摩尔分数X(AIC13)=0.5时，为中性，阴离子为A1C14一；当A1C13的摩尔分数x(A1C13)>0.5时，阴离子以A12C14-和A13C110-形式存在，使离子液体表现为强酸性。粘度离子液体的粘度主要由氢键和范德华力所决定。其中氢键对离子液体的粘度的影响较为显著阳离子的结构也会影响到离子液体的粘度。一般来讲，烷基链越长，阴阳离子之间的范德华力越强，粘度越大；相反，烷基链越短，活动性越强，由其组成的离子液体粘度则相对较低。当阳离子中含有羟基、胺基等官能团时，会导致离子液体粘度的增加，主要是氢键作用的缘故。导电性离子液体的离子导电性是其电化学应用的基础。其导电性的大小与离子液体的粘度、分子量、密度、离子大小及几何形状有关。其中粘度对电导的影响最为显著，粘度越大，离子导电性越差；密度越大，导电性越好。同时离子大小和重量的影响也不容忽视。离子液体电化学稳定电位窗口对其电化学应用也非常重要。电化学稳定电位窗口指的是离子液体开始发生氧化反应的电位和开始发生还原反应的电位差值。绝大部分离子液体的电化学稳定电位窗为4v左右，这与一般的有机溶剂相比是比较宽的,也是离子液体的优点之一。生物降解性离子液体的生物降解性对于离子液体在绿色化学中的应用有重要意义。相关研究表明，[bmim]+BF4和[bmim]+PF6不能生物降解。咪唑环上连有胺基的离子液体生物降解性不太好，但咪唑环上含酯基支链的离子液体其生物降解性却大大提高，并且生物降解性能随支链的增长而有所提高，有可能是酶水解引发了离子液体的进一步分解。阴离子对生物降解性也有影响。经过前人的不断努力，不断的实验我们已经得到了离子液体的各种各样有规律的变化性质，而在我们这一代应该努力的地方就是把这些性质很好的应用到生产中去，现在已有的研究领域也已经不少，并且有部分已经投入大规模生产。三、离子液体的应用离子液体在电化学中的应用离子液体是完全由阴、阳离子组成的液态电解质。Os-teryoung等早在20多年前就开始了在离子液体中进行电化学的研究，后来的研究展现了离子液体宽阔的电化学窗口、良好的离子导电性等电化学特性，使其在电池、电容器、晶体管、电沉积等多个方面具有广泛的实用前景。由于离子液体不挥发、不燃、良好的离子导电性、电化学窗口比电解质水溶液大得多，可以有效减轻自放电，做电池电解质不需要熔融盐一样的高温，可以用于制造新型高性能电池。Bonhote研究了利用离子液体作太阳能电池的电解质，系统研究了[呱’im]+与憎水负离子形成的离子液体。熔点在-30r至常温之间，特别适用于应排除水汽且长期操作的电化学系统。最近，有人将离子液体沉积到电板上以修饰电极，并进行电化学研究，观察到水溶液中的离子可选择性地分配进离子液体。因此，可将离子液体用于阴离子的定量检测的电分析上。离子液体在化学分离中的应用分离提纯是化学反应的重要应用内容。采用水为溶剂分离提纯制适用于溶于水的物质；采用蒸馏技术只适用于蒸汽压大的物质；采用有机溶剂(例如萃取)又会造成严重的环境污染。因此，安全的、对环境友好的绿色分离技术越来越受到重视。离子液体具有独特的理化性能，非常适合作为分离提纯的溶剂。尤其是在液-液提取分离上，离子液体能溶解某些有机化合物、无机化合物和有机金属化合物，而同大量的有机溶剂不混溶，可以反复循环使用。例如，以[bmim]+PF6一离子液体为溶剂，萘为不挥发溶质，CO2为超临界流体，进行超临界萃取，使两种绿色提取过程结合起来。采用[bmim]+PF6一离子液体在175°C下处理油页岩提取石油，萃取率比采用己烷提高10倍；采用溶有咪唑[bmim]+PF6一混合液除去天然气中的H2S和CO2,效果甚好。离子液体在环境监测方面的应用在环境监测中离子液体被应用于传感器方面，对Sox，CO2,NH3,有机气体或无机离子进行监测具有潜在应用价值。离子液体具有零蒸气压、化学性质稳定、导电性好、电化学窗口宽等特点，它们不会发生化学反应，也不会有挥发损失，在电化学传感器中可以应用于高温、高压的条件，且具有长的寿命。离子液体在多相转移催化有机合成中的应用传统的相转移催化反应中，相转移催化剂(PTC)能够显著地提高反应活性，被越来越广泛地应用于各种化学反应。但是传统的相转移催化反应仍然存在一定的问题，如在反应中一般需要使用有毒挥发性有机溶剂，反应后有机溶剂和PTC损失严重，难以回收利用，而且对环境造成严重的破坏；反应常需要加热，需要消耗一定的能源；反应完成后产物常需要用有机溶剂或水进行萃取，分离较为复杂。近些年来离子液体越来越广泛地应用于多相转移催化有机合成反应。反应中用离子液体代替有机溶剂，避免了有机溶剂对环境造成破坏，代替传统的PTC，可以回收利用；将催化剂固定在离子液体相中，保留了催化剂的活性，循环使用；离子液体没有蒸气压，即使在较高的反应温度下也不会挥发，不会对环境造成污染；反应完成后产物可以和离子液体相自动分层，通过简单的倾倒即可实现产物的分离等。四、前景展望及实习体会离子液体作为一种新型的高效绿色溶剂,具有很多独特的性质，有能够广泛的应用在化学工业的各个方面的潜质，以其强大的优势来取代传统的工业方法，无论在研究和还是应用上展现出十分诱人的前景，随着绿色化学研究的深入，在各个部门的配合之下，研究离子液体来取代传统的有毒、有害溶剂而发展高效、安全的绿色工艺是目前乃至今后一段时间的研究重点。通过这次的实习学习我们了初步了解到了离子液体