基于離子液體——綠色溶劑的制備和應(yīng)用分析

霍青云

摘 要 離子液體能夠循環(huán)反復(fù)利用，以便降低對自然環(huán)境造成的破壞，所以也被人們稱作綠色溶劑。本文首先介紹了離子液體的基本概念，然后探討了這種溶劑的實際制備方法，最后分析了該溶劑的具體應(yīng)用，希望能對離子液體將來的研究發(fā)展，起到一定積極影響。

關(guān)鍵詞 離子液體；綠色溶劑；制備；應(yīng)用；分析

中圖分類號 O69 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1674-6708（2016）164-0173-02

當(dāng)前，人們能夠制作的離子液體已經(jīng)達(dá)到了上百種。離子液體也稱為綠色溶劑，能夠運(yùn)用于物質(zhì)分離和化學(xué)反應(yīng)的過程中，尤其是催化反應(yīng)及電化學(xué)，并且已經(jīng)獲得可觀的成果。對離子液體進(jìn)行科學(xué)研究和應(yīng)用，可以突破傳統(tǒng)化學(xué)理念的束縛，從而帶動各行各業(yè)發(fā)展，給人類社會帶來極大好處。

1 離子液體的基本概念

離子液體就是在室內(nèi)正常溫度左右呈液體形態(tài)的，通過離子而組成的物質(zhì)，也可以稱之為室溫離子液體，英文寫作room？temperature？ionic？liquid。或者叫做室溫熔融鹽，英文寫作temperature？molten？salts，以及有機(jī)離子液體等。在當(dāng)前這種溶劑還沒有獲得一致的稱呼，而大多數(shù)情況下都被叫做離子液體。

現(xiàn)階段正在研究當(dāng)中的離子液體大致可分為4種，即烷基季銨離子[NRxH4-x]+，還有烷基季磷離子[PRxH4-x]+等。二烷基所代替的咪唑離子通常可以叫做N或是N-二烷基代替的咪唑離子，簡單記載成[R1R3im]+，如果二位中還有取代基R2，就可記作[R1R2R3im]+、N-烷基所取代的吡啶離子可以記為[RPy]+。

按照多數(shù)負(fù)離子的基本特點(diǎn)，可以把離子液體分成2個類別：第一是鹵化鹽（正離子也屬于以上4類）+AlCl3（這一名稱中，Cl也可以選用Br進(jìn)行替代），比如[bmim]Cl-AlCl3通常情況下也可以寫成[bmim]？ AlCl4，假設(shè)AlCl3的摩爾分?jǐn)?shù)x=0.5，則屬于中性，若x<0.5，則是堿性，若x>0.5，則是酸性。具體制備方式是，把固體鹵化鹽和AlCl3加在一起，就可以得到液化的離子液體。但由于放熱量過高，可以輪換著把兩類固體慢慢加到制作完成的同種離子液體內(nèi)，從而完成散熱。

另一種離子液體，也可叫做新離子液體，最早是于20世紀(jì)末期發(fā)現(xiàn)[emim]BF4熔點(diǎn)為12℃，此后慢慢推廣開來。這種離子液體與AlCl3有所區(qū)別，它的構(gòu)成不會發(fā)生變化，并且內(nèi)部很多種類對水與空氣都是相對固態(tài)的。其正離子大多屬于烷基代替的咪唑離子[R1R3im]+，比如[bmim]+，負(fù)離子BF4-、BF6-，還有三氟甲磺酸根、三氟甲基磺酰、三氟醋酸、三氟乙酸、三氟甲基磺酰、氟銻酸、二氧化氮等，以NO3-ClO4-為負(fù)離子的離子液體需要特別提防，以免其發(fā)生爆炸。

2 離子液體的實際制備方法

2.1 復(fù)分解反應(yīng)方法

把離子液體[emim]BF4作為例子，1992年時運(yùn)用了如下方法：

[emim]Cl+AgBF4AgCl↓+[emim]BF4所用AgBF4根據(jù)以下反應(yīng)制備可得：

Ag2O+2HBF4（aq）2AgBF4+H2O

到了1997年，又有人發(fā)現(xiàn)了可以不用Ag鹽的制備方法，用化學(xué)式表示為：

[emim]Cl+NH4BF4NH4Cl↓+[emim]BF4

相關(guān)資料中介紹了不少關(guān)于離子液體的制作方式，該方式中復(fù)分解的產(chǎn)物包括了氯化鋰、氯化銀、氯化銫等元素。

2.2 酸堿中和法

以離子液體[emim]PF6（熔點(diǎn)是58℃）作為例子，按照酸堿中和法，可以用以下化學(xué)式表示：

[emim]Cl+HPF6（aq）？[emim]PF6↓+HCl

再比如，在1，1，1—三氯乙烷內(nèi)部，化學(xué)式為：[Rim]+MeCF3SO3[Rmim]+CF3SO3

2.3 咪唑鹽的制作方法

咪唑鹽目前很難買到，因此需要自己制作，以[emim]Br和[bmim]Br的制作方法為例子，其化學(xué)式是：

C2H5Br+[mim][emim]Br↓

新蒸的溴乙烷，將1，1，1-三氯乙烷作為溶劑，在Ar的氣氛中制作，則化學(xué)式為：

C4H9Br+[mim][bmim]Br（粘液含量為64%）以下同上。大量運(yùn)用Ag鹽制作離子液體會耗費(fèi)過多資金，雖然AgCl內(nèi)部的Ag能夠回收再利用，而現(xiàn)在離子液體的制作金額基本是傳統(tǒng)有機(jī)溶液制作金額的2倍以上，這也是離子液體至今沒有大量運(yùn)用于工業(yè)領(lǐng)域的因素之一。而從現(xiàn)階段情況看，人們對離子液體的制備方法與功能的研究越來越完善，離子液體運(yùn)用量不斷增大，生產(chǎn)量上升，成本自然也會隨之下降。

3 離子液體——綠色溶劑的具體應(yīng)用分析

3.1 離子液體分離過程中的應(yīng)用分析

美國Alabama大學(xué)中Rogers帶領(lǐng)的小組分析了苯所產(chǎn)生的物質(zhì)在離子液體的相[bmim]PF6與水相內(nèi)部的分配數(shù)據(jù)，并將其和辛醇或水之間的分配系數(shù)展開對比，發(fā)現(xiàn)？[bmim]PF6不能在水里溶化，也不能在空氣中揮發(fā)，因此在蒸餾的過程中不會遭到損壞，還能夠反復(fù)使用。這種元素不會對水源或者大氣造成較大破壞或污染，因而也被人們稱作綠色溶劑。曾經(jīng)有研究可以證明，利用金屬離子萃取劑1-（2-Pyridylazo）-2-napthol，能夠把過渡金屬離子由水相提取至離子液體相[bmim]PF6內(nèi)。如果采用冠醚，則能夠把第一和第二族的金屬離子比如Cs+、Sr2+等，由水相提取至離子液體相。

英國目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了把核廢料溶解于離子液體內(nèi)的辦法，即在這種溶劑內(nèi)部添加氧化劑，讓鈾從U4+轉(zhuǎn)化成U6+，讓钚從Pu4+轉(zhuǎn)化成Pu6+。美國南部Alabama大學(xué)展開探究，將咪唑溶解于離子液體[bmim]PF6內(nèi)的混合液用于消除天然氣里的H2S及CO2。此外，用離子液體[bmim]PF6、[omim]PF6由發(fā)酵液內(nèi)提取出了正丁醇。23℃的純凈水和[bmim]PF6或[omim]PF6達(dá)到平衡狀態(tài)時，水相里含有的離子液體比例是2.287%或是0352%左右，在22℃以下時，[bmim]PF6內(nèi)部溶解度有的可全部互溶，當(dāng)處在40℃和138╳105Pa之下時，CO2由[bmim] PF6內(nèi)提取有機(jī)物質(zhì)。

3.2 離子液體在電化學(xué)中的應(yīng)用分析

離子液體基本都具有一定的導(dǎo)電功能，不易揮發(fā)，不會燃燒，能夠運(yùn)用于制作新型電池。美國某化學(xué)研究中心研發(fā)出的DIME電池所采用的離子液體包括了正離子[emim]+、[epmim]+，負(fù)離子BF4-、PF6-、AlCl4-、CF3SO3-等。瑞士所研究出的太陽能電池電解質(zhì)，其粘度較低，導(dǎo)電性能強(qiáng)，耐酸性墻，因此，開發(fā)了一部分含有正離子[R1R3im]+的離子液體。離子液體[emim]（CF3SO2）2N的電化學(xué)窗口>4V，在400℃下也可以保持穩(wěn)定狀態(tài)。美國專家測出，正離子是[emim]+、[mmpim]+，負(fù)離子是C2F5SO2）2N-、BF4-、PF6-，還有三氟甲基磺酰等。假如[emim]PF6于丙烯腈內(nèi)部2M溶液里電導(dǎo)率達(dá)到每公分60ms，則其于電流密度是0μA/cm2下的化學(xué)窗口>4V。

3.3 離子液體在電化學(xué)中的應(yīng)用分析

第一，β-苯酚的烷基化。當(dāng)堿起作用時，采用[bmim]PF6作為溶劑，那么氧原子烷基化的概率會超過90%。利用[bmim]BF4也會收到很好的效果；第二，Diels-Alder環(huán)加成反應(yīng)。采用離子液[EtNH3]NO3，則其反應(yīng)速度會高于在非極性溶劑中的反應(yīng)速度，但會低于在水中的反應(yīng)速度。采用用[bmim]+與BF4-、AlCl4-、CF3SO3、NO3-、PF6-等，也會收到較好的效果；第三，F(xiàn)riedel-Crafts?；磻?yīng)。有關(guān)于甲苯、甲氧基苯等，要進(jìn)行?；?，可以采用[emim]Cl-AlCl3離子液體作為溶劑，可較好地掌控定位；第四，甲基丙烯酸甲酯聚合。可以采用[bmim]PF6為溶劑，用CuBr+N-丙基-2-吡啶基甲胺當(dāng)作催化劑，這一方法速度較快，分子量會分布在一定范圍中，催化劑可以回收利用。

4 結(jié)論

離子液體大多不含蒸汽壓，可以溶解在很多有機(jī)物質(zhì)或無機(jī)物質(zhì)當(dāng)中，也很容易和其他物質(zhì)分離開來，能夠循環(huán)利用，因此具有許多優(yōu)勢，適用于太陽能電池、燃料電池、核廢物加工以及各種化學(xué)合成領(lǐng)域。目前我國對于離子液體的探索才剛起步，應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步加強(qiáng)對該領(lǐng)域的研究。

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