綠色溶劑離子液體的發(fā)展和分類研究

劉 銘，李雪丹，陳慶陽(yáng)，田 鵬

(沈陽(yáng)師范大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院 能源與環(huán)境催化研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110034)

當(dāng)今社會(huì)，能源短缺和溫室效應(yīng)等一系列問(wèn)題使人類社會(huì)的生存面臨著巨大的威脅與挑戰(zhàn)。21世紀(jì)化學(xué)領(lǐng)域發(fā)展其中一個(gè)很重要的研究方向是綠色化學(xué)，所謂綠色化學(xué)，降低污染是關(guān)鍵，其中對(duì)于無(wú)毒無(wú)害的溶劑和催化劑的開(kāi)發(fā)使用，旨在工業(yè)生產(chǎn)中降低對(duì)于環(huán)境造成的污染及破壞，這便是綠色化學(xué)的重要倡導(dǎo)內(nèi)容。作為綠色高效溶劑，離子液體已成為當(dāng)代化學(xué)的熱點(diǎn)研究之一。作為一種新型溶劑，離子液體具有很多優(yōu)良的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)，例如通常情況下離子液體不易揮發(fā)、無(wú)蒸汽壓，而且具有較寬的電化學(xué)窗口，同時(shí)具有較高的離子導(dǎo)電率和較好的物質(zhì)溶解性及萃取能力等等。由于具有這些優(yōu)異性質(zhì)，世界范圍內(nèi)正熱烈開(kāi)展關(guān)于離子液體在化學(xué)化工應(yīng)用方面的研究，并且發(fā)展得十分迅速。

1 離子液體的發(fā)展

離子液體是指全部由陰離子和陽(yáng)離子組成的液體，在室溫或室溫附近溫度下呈液態(tài)的由離子構(gòu)成的物質(zhì)，稱為室溫離子液體[1-3]。離子液體因與人們概念中的“鹽”相近，而通常情況下其熔點(diǎn)又低于100攝氏度，故也將其稱為"室溫熔融鹽"。作為離子化合物，分析離子液體的結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)其中存在具有不對(duì)稱性的取代基，導(dǎo)致離子不能規(guī)則地堆積成晶體，這也就使得離子液體熔點(diǎn)較低[4-6]。

2 離子液體的分類

室溫離子液體的各種不同性能取決于其各類陰離子、陽(yáng)離子的不同結(jié)構(gòu)。原則上，可以通過(guò)改變陰離子的種類或者陽(yáng)離子上的取代基等方法，設(shè)計(jì)出所需要的室溫離子液體[16]，因而能夠得到許多不同種類的室溫離子液體，至此離子液體家族的龐大可見(jiàn)一斑。

3 離子液體的合成方法

離子液體的種類有很多，通過(guò)改變陽(yáng)離子/陰離子的組合，可以設(shè)計(jì)合成出許多不同種類的離子液體。離子液體的合成主要有兩種基本方法--直接合成法和兩步合成法[17]。

3.1 直接合成法

通過(guò)酸堿中和反應(yīng)或季銨化反應(yīng)一步反應(yīng)合成所需要離子液體，該類反應(yīng)具有操作經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)便，沒(méi)有副產(chǎn)物，產(chǎn)品易純化等優(yōu)點(diǎn)，適合少數(shù)簡(jiǎn)單的合成反應(yīng)。例如，硝酸和乙胺的水溶液發(fā)生反應(yīng)制備出硝基乙胺離子液體，就是典型的直接合成法中的中和反應(yīng)。最近，Hirao[18]等合成的一系列不同陽(yáng)離子的四氟硼酸鹽離子液體也是采用酸堿中和方法。另外，鹵化1-烷基3-甲基咪唑鹽，鹵化吡啶鹽等的制備則是采用直接合成法中的季銨化反應(yīng)得到。

3.2 兩步合成法

有些情況下制備目標(biāo)離子液體通過(guò)直接合成法難以實(shí)現(xiàn)，兩步合成法至此便應(yīng)運(yùn)而生。兩步合成法突破一步合成法的局限性，用于合成較復(fù)雜的離子液體[19]。首先，通過(guò)季銨化反應(yīng)制備出含目標(biāo)陽(yáng)離子的鹵鹽；然后用目標(biāo)陰離子置換出鹵鹽或加入Lewis酸來(lái)得到目標(biāo)離子液體。特別注意的是，在用目標(biāo)陰離子交換鹵素陰離子的過(guò)程中，必須通過(guò)一些手段使反應(yīng)盡可能地充分進(jìn)行，目的是確保沒(méi)有陰離子留在目標(biāo)離子液體中，從而制得高純度的離子液體，而不致對(duì)其后期研究應(yīng)用造成影響。在第二步反應(yīng)中，使用常用的是AgY或NH4Y作為金屬鹽，該反應(yīng)因能夠產(chǎn)生AgX沉淀或NH3、HX氣體而容易被除去[20-22]。

對(duì)于需要加熱的反應(yīng)，直接合成法和兩步合成法存在加熱耗費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)的特點(diǎn)，此時(shí)將常規(guī)加熱方法改為微波加熱方法便可改進(jìn)這一不足之處。微波輔助加熱法，不僅可以大大縮短反應(yīng)所需時(shí)間，提高反應(yīng)效率，還可以提高產(chǎn)率?？梢?jiàn)，利用微波加熱的方法合成離子液體，是該領(lǐng)域研究和發(fā)展的必然趨勢(shì)[23]。

4 離子液體的特點(diǎn)

離子液體作為一種新型溶劑，相比傳統(tǒng)溶劑，存在以下優(yōu)異特點(diǎn)：

(1)幾乎沒(méi)有蒸氣壓，揮發(fā)性很低接近于零，可以有效減少因揮發(fā)產(chǎn)生的環(huán)境污染問(wèn)題。

(2)具有較好的熱穩(wěn)定性和電化學(xué)穩(wěn)定性，容易與其他物質(zhì)分離從而反復(fù)利用，同時(shí)溫度范圍和電位窗口范圍都比較寬。

(3)可以根據(jù)需要，改變陰離子或陽(yáng)離子，設(shè)計(jì)出符合要求的離子液體。

(4)極性的、非配位的溶劑。

(5)溶解性良好，可以較好的溶解有機(jī)物和無(wú)機(jī)物。

(6)酸強(qiáng)度可調(diào)，甚至可調(diào)至超酸。

離子液體的上述諸多優(yōu)點(diǎn)使其成為化學(xué)反應(yīng)中良好的溶劑，成為綠色化學(xué)熱門(mén)的研究方向。

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