磺酸基三乙胺離子液體的合成

文志紅，陳茁

（1.天津科技大學材料科學與化學工程學院，天津300457；2.天津大學材料科學與工程學院，天津300072）

磺酸基三乙胺離子液體的合成

文志紅1，陳茁2

（1.天津科技大學材料科學與化學工程學院，天津300457；2.天津大學材料科學與工程學院，天津300072）

考察了各因素對磺酸基三乙胺離子液體產(chǎn)率的影響。從實驗數(shù)據(jù)上可以得出，最佳的工藝條件是：三乙胺與濃硫酸的配比1.2∶1（mol/mL），反應(yīng)時間3 h，反應(yīng)溫度10℃。

磺酸基三乙胺；離子液體；三乙胺；合成

離子液體（Ionic Liquid）是由有機陽離子和無機或有機陰離子構(gòu)成的，它是在室溫下呈液體狀態(tài)的鹽類。離子液體的主要用途是作為一種新型環(huán)保溶劑，它以其難揮發(fā)、安全無毒的特性，有望成為傳統(tǒng)有機溶劑和有機催化劑的有效替代品，從而使大量自然資源的充分利用和無法處理的廢棄物的重復(fù)利用成為可能。離子液體在世界上屬于熱門前端的研究，具有極高的科學價值和現(xiàn)實意義。近年來，人們逐步認識到環(huán)境保護及可持續(xù)發(fā)展的重要性，開發(fā)與實施綠色和清潔技術(shù)戰(zhàn)略已成為世界性的共識。特別是在日趨激烈的化工市場中，追求綠色化工和環(huán)境友好體系已是化工行業(yè)轉(zhuǎn)向的重點?；撬峄野冯x子液體可以作為木質(zhì)素的優(yōu)良溶劑用于溶劑制漿造紙。主要性能是：非揮發(fā)性或“零”蒸汽壓；低熔點、寬液程；良溶性，對很多無機和有機物質(zhì)都表現(xiàn)出良好的溶解能力，且有些具有介質(zhì)和催化雙重功能；強的靜電場；寬的化學窗口；良好的離子導(dǎo)電與導(dǎo)熱性、高的熱容及熱能儲存密度；一般不可燃，熱容量較大且粘度低，大多具有較好的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性，可循環(huán)使用［1］-［3］。

1 實驗

1.1 實驗設(shè)備與試劑

1.1.1 實驗設(shè)備

DK-9-1電熱恒溫水浴鍋，天津市泰斯特儀器有限公司；WQF-510傅立葉變換紅外光譜儀，北京第二光學儀器廠。

1.1.2 實驗試劑

三乙胺，工業(yè)純，天津市凱通化學試劑有限公司；98%濃硫酸，工業(yè)純，天津市北方天醫(yī)化學試劑廠。

1.2 實驗原理

采用一步合成法合成磺酸基三乙胺酸性離子液體，其反應(yīng)方程式為：

1.3 實驗方法［5］-［7］

向250 mL的四口瓶中加入0.5 mol的三乙胺和一定量的去離子水，在冰水浴中將其冷卻到一定溫度范圍內(nèi)，于劇烈攪拌下滴加一定體積的98%的濃硫酸溶液，滴加完成后保溫1 h，得到淡黃色液體，在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀上除去水分和未反應(yīng)的三乙胺，得到淡黃色微粘的磺酸基三乙胺酸性離子液體。將它置于烘箱內(nèi)干燥12 h，稱重，計算收率。

1.4 紅外光譜表征

本實驗的紅外光譜表征是在WQF-510型傅立葉變換紅外光譜儀上進行，儀器分辨率為4 cm-1，掃描次數(shù)是32，掃描范圍為500～4200 cm-1。

取100 mg左右的純KBr，將其在瑪瑙研缽中研細，裝到模具中，放在壓片機上控制壓力在6 Mpa，2 min后減壓，制得透明薄片，采集底樣譜圖。然后將離子液體涂在KBr鹽片上，干燥后采集樣品譜圖。

2 各因素對磺酸基三乙胺離子液體產(chǎn)率的影響

2.1 單因素實驗

（1）反應(yīng)時間對磺酸基三乙胺離子液體產(chǎn)率的影響

3.1.1 如果對手競技水平相對于自己較差，這樣運動員往往會出現(xiàn)精神狀態(tài)不緊張、攻擊意識不強、低估敵人的能力現(xiàn)象，認為自己可以自由發(fā)揮，輕而易舉就能拿下比賽。對自己也沒有了進攻和防守的欲望。這時球員在身體和心理上都是非常放松的狀態(tài)，慢慢這場比賽輸?shù)娘L險被逐漸顯露出來，那么一旦比賽處于不利狀態(tài)，情緒開始暴躁，心理也受到了波動，比賽節(jié)奏已經(jīng)超出控制，逐漸失去自我控制。這時的運動員很難再回到合適的比賽狀態(tài)。（見表1）

實驗條件：原料比為1∶1，反應(yīng)溫度為10℃，反應(yīng)時間分別為1 h、1.5 h、2 h、3 h、4 h?？疾旆磻?yīng)時間對磺酸基三乙胺離子液體產(chǎn)率的影響，結(jié)果如圖1。

由圖1可知，隨著反應(yīng)時間的增加，磺酸基三乙胺離子液體的產(chǎn)率逐漸增加。3 h以前，增幅較大，3 h之后，產(chǎn)率有微弱的降低，因此反應(yīng)時間選取3 h較為合適。

（2）原料比（三乙胺：硫酸）對磺酸基三乙胺離子液體產(chǎn)率的影響

選用三乙胺與98%的硫酸反應(yīng)，三乙胺與硫酸的比例分別為1∶1、1.1∶1、1.2∶1、1.3∶1、1.4∶1（mol/mol）的五種原料比，固定反應(yīng)條件溫度10℃，反應(yīng)時間3 h，考察原料比對磺酸基三乙胺離子液體產(chǎn)率的影響。

由圖2可知，隨著三乙胺與硫酸比例的增加，離子液體的產(chǎn)率先逐漸增大，在比例達到1.2∶1時，產(chǎn)率達到96.56%，因此硫酸與三乙胺的比例1.2∶1為最佳配比。

（3）反應(yīng)溫度對磺酸基三乙胺離子液體產(chǎn)率的影響

在原料比為1∶1，反應(yīng)時間為3 h的條件下，分別在5℃、10℃、20℃、30℃、40℃溫度下反應(yīng)，考察反應(yīng)溫度對磺酸基三乙胺離子液體產(chǎn)率的影響。

（4）加料順序?qū)撬峄野冯x子液體產(chǎn)率的影響

表1 實驗試劑

由表1可以直觀地看出，先加三乙胺所得到的離子液體的產(chǎn)率比先加硫酸所得到的離子液體的產(chǎn)率大。

2.2 正交實驗

基于單因素實驗結(jié)果，制定因素水平表，見表2。

表2 因素水平表

此為三因素三水平表，因此選用正交表L9（34）進行實驗，并處理數(shù)據(jù)，結(jié)果見表3。

表3 正交表

表4 最優(yōu)合成條件下的驗證實驗

由表4可知，最優(yōu)工藝條件下即濃硫酸與三乙胺的摩爾比為1.2∶1，反應(yīng)溫度為10℃，反應(yīng)時間為3 h，磺酸基三乙胺離子液體的產(chǎn)率可穩(wěn)定在96.53%左右。

2.4 紅外光譜表征磺酸基三乙胺離子液體

從圖4看出，在3429 cm－1處的峰是仲胺中－NH的伸縮振動峰，由于氮原子的電負性較強，分子內(nèi)有氫鍵形成，因此在低波數(shù)一邊3336 cm－1處出現(xiàn)小峰。2978 cm－1處為－CH3的伸縮振動吸收峰，2943 cm－1處為－CH2的伸縮振動吸收峰，1487 cm－1和1396 cm－1的峰為其彎曲振動峰，其中1396 cm－1處－為與季氮正離子相連的－CH2的彎曲特征吸收。而S＝O鍵的振動吸收峰位于1045 cm－1。參考圖譜見文獻［4］，以上分析所得結(jié)論與參考文獻上的文獻圖譜結(jié)論一致，初步證明所合成的離子液體是磺酸基三乙胺離子液體。

3 結(jié)論

由表3的極差R可知，上述3個因素對磺酸基三乙胺離子液體產(chǎn)率影響的主次順序為：反應(yīng)時間＞反應(yīng)溫度＞摩爾比。4號實驗的產(chǎn)率95.59 %為最高，經(jīng)過計算得出最優(yōu)工藝條件為A2B2C2，即三乙胺與硫酸的摩爾比為1.2∶1，反應(yīng)溫度為10℃，反應(yīng)時間為3 h。

2.3 驗證實驗

在最優(yōu)工藝條件下進行驗證實驗，結(jié)果見表4。

考察了各單因素對磺酸基三乙胺離子液體產(chǎn)率的影響。從實驗數(shù)據(jù)上可以得出，最佳的工藝條件是：三乙胺與濃硫酸的配比1.2∶1（mol/mL），反應(yīng)時間3 h，反應(yīng)溫度10℃。

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10.3969/j.issn.1007-2217.2012.02.005

2012-01-13