離子液體的制備及在太陽能電池與有機合成中的應用
——推薦一個綜合化學實驗*

孫學芹 武文俊

(華東理工大學化學實驗教學中心 上海 200237)

1 實驗研究背景

室溫離子液體是一種新型的溶劑和催化劑，對有機金屬、有機和無機化合物有很好的溶解性，由于其蒸氣壓低，可用于高真空下的反應，同時又無味、不燃，在作為環(huán)境友好的溶劑方面有很大的潛力。離子液體為極性化合物，可溶解作為催化劑的金屬有機化合物，替換對金屬具有高配位能力的極性溶劑。溶解在離子液體中的催化劑具有均相和非均相催化劑的優(yōu)點，催化反應有高的反應速度和高的選擇性，產(chǎn)物可通過靜止分層或蒸餾分離出來；留在離子液體中的催化劑易回收、可循環(huán)使用。由于離子液體具有的這些特點，故在有機反應中得到廣泛的關(guān)注。

阿司匹林(aspirin)學名為乙酰水楊酸，是一種廣泛使用的具有解熱、鎮(zhèn)痛、治療感冒和預防心血管疾病等多種療效的藥物。目前合成阿司匹林廣泛使用濃硫酸作為催化劑，危險且污染環(huán)境，若改用離子液體為催化劑則安全環(huán)保，更符合綠色化學的理念。

2 實驗目的

1-甲基-3-丁基-咪唑碘鹽離子液體的制備及在染料敏化太陽能電池與水楊酸合成阿司匹林中的應用是該領(lǐng)域最基本的實驗。通過本實驗可以讓學生了解當今國際上此領(lǐng)域的一些前沿信息；學習咪唑碘類離子液體的制備及最新應用——染料敏化太陽電池電解質(zhì)體系，并對其光電性能進行表征；學習水楊酸合成阿司匹林的新方法——室溫離子液體催化；提高學習興趣，培養(yǎng)以創(chuàng)新的思路去分析問題、解決問題的能力。

3 實驗原理及用途

1-甲基-3-丁基咪唑碘鹽制備是原子經(jīng)濟性反應，投入的原料可全部轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物，符合綠色化學的要求。其反應式如下：

該實驗制備的離子液體主要有以下兩方面用途：

(1) 用于染料敏化太陽電池。

通常情況下，I-在染料敏化太陽能電池電解質(zhì)中是用來使注入電子后的染料氧化態(tài)得到再生：

實驗中使用的咪唑碘離子液體既為染料敏化太陽電池提供了I-，又起溶劑的作用。

(2) 用于催化阿司匹林的合成。

通常阿司匹林是在濃硫酸的催化下，由水楊酸(鄰羥基苯甲酸)和乙酐反應合成，反應廢液會對環(huán)境造成一定污染。

本實驗阿司匹林的合成采用環(huán)境友好的離子液體作為催化劑，離子液體催化劑可重復使用，大大降低了反應成本。以酸為催化劑的阿司匹林合成反應式如下：

4 儀器和試劑

4.1 儀器

50mL三口燒瓶，磁力攪拌器，恒壓滴液漏斗，球形回流冷凝管，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器等。

4.2 試劑

1-甲基咪唑，1,1,1-三氯乙烷，正碘丁烷，水楊酸，乙酸酐，乙醚，異丙醇，TiO2漿料，N719染料，氯鉑酸等，所使用試劑均為分析純。

5 實驗步驟

5.1 1-甲基-3-丁基咪唑碘鹽的制備

在裝有恒壓滴液漏斗、回流冷凝管的50mL三口燒瓶中加入3.0g(0.037mol)1-甲基咪唑及20mL 1,1,1-三氯乙烷，磁力攪拌下，用恒壓滴液漏斗緩慢滴加6.8g(0.037mol)正碘丁烷，滴畢，溶液變混濁，加熱回流1h，停止攪拌。用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器將溶劑1,1,1-三氯乙烷蒸出，得到黏稠狀1-甲基-3-丁基咪唑碘鹽液體。

5.2 電極的制備

5.2.1 光陽極的制備

在導電玻璃導電面沿邊緣貼膠帶，中間預留需要的方形面積，并固定于試驗臺。在上沿處放少許TiO2漿料，用干凈的玻璃棒刮涂，撕掉膠帶，將TiO2膜在空氣中靜置3min，在烘箱內(nèi)125℃烘6min，然后放入馬弗爐500℃煅燒30min。冷卻至80℃時將TiO2膜浸泡至3×10-4mol/L的N719乙醇溶液中過夜。第二天取出，用無水乙醇沖洗，電吹風吹干，待用。

5.2.2 對電極的制備

將氯鉑酸配制成0.02mol/L的異丙醇溶液，用玻璃棒刮涂于導電玻璃導電面，然后在馬弗爐內(nèi)400℃煅燒15min，降至常溫后保存待用。

5.3 阿司匹林的合成

在裝有回流冷凝管的50mL三口燒瓶中加入4.8g(0.035mol) 水楊酸、7mL(0.07mol) 乙酸酐和2mL 1-甲基-3-丁基咪唑碘鹽離子液體；在磁力攪拌下80℃反應1h。停止攪拌后冷卻至室溫，加入乙醚萃取(10mL×2)，合并有機層，蒸去乙醚，將反應液倒入裝有50mL 冷水的燒杯中，攪拌至阿司匹林全部析出，抽濾，用少量水洗滌，得粗品。用乙酸乙酯重結(jié)晶，得無色晶體乙酰水楊酸，稱重，計算收率，測熔點，用紅外光譜對產(chǎn)物進行分析。

6 實驗注意事項

(1) 離子液體的合成要注意控制攪拌速度和滴加速度，使兩種原料緩慢混合均勻。

(2) 1,1,1-三氯乙烷的沸點為73～76℃，應控制回流速度不宜過快。

(3) 將旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器的水浴溫度緩慢上升至80℃，0.1MPa下旋蒸40min，將 1,1,1-三氯乙烷完全蒸出。

7 實驗特色和效果

本實驗涉及有機化學、材料化學、分析化學及大型分析儀器等綜合性較強的實驗內(nèi)容。通過本實驗，學生能在較高層次上了解化學實驗領(lǐng)域中的特殊應用，拓寬學生的知識面，培養(yǎng)其以創(chuàng)新的思路去分析問題和解決問題。

參 考 文 獻

[1] 王占軍,肖鵬,楊悅,等.當代化工,2011,40(7):762

[2] 謝輝,陳卓,母先譽,等.貴州師范大學學報:自然科學版,2009,27(1):98

[3] Shi D,Pootrakulchote N,Li R,etal.JPhysChemC,2008,112:17046

[4] Shi D,Cao Y,Pootrakulchote N,etal.JPhysChemC,2008,112:17478

[5] Wu W J,Zhan W H,Hua J L,etal.ResChemIntermed,2008,34:241