綠色離子液體的合成與應(yīng)用

吳鵬

摘 要：隨著科技的發(fā)展，新型材料目前被廣泛應(yīng)用于溶劑、萃取和分離、有機(jī)合成、電化學(xué)等領(lǐng)域中。離子液體作為一種新型綠色溶劑，為了讓更多的人了解這種液體的合成和應(yīng)用，介紹了其特點(diǎn)和合成方法。

關(guān)鍵詞：離子液體；綠色溶劑；合成方法；溶劑

中圖分類(lèi)號(hào)：O645.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.02.117

1 離子液體介紹

所謂“離子液體”，顧名思義，就是一種液態(tài)式的鹽，是在溫室或接近溫室的條件下，由正負(fù)離子組合而成的。因?yàn)榻M成的離子液體的陰離子體積小，而陽(yáng)離子體積大且結(jié)構(gòu)不對(duì)稱(chēng)，加上陰陽(yáng)離子的數(shù)目趨向相等時(shí)呈現(xiàn)輸電中性的特點(diǎn)，所以導(dǎo)致了陰陽(yáng)離子之間無(wú)法形成規(guī)則有序的吸引，靜電勢(shì)被降低，出現(xiàn)了低熔點(diǎn)，但陰陽(yáng)離子之間原本具有的強(qiáng)相互作用使離子具有了低蒸汽壓的特性。

2 離子液體的特點(diǎn)

離子液體的特點(diǎn)為：①無(wú)味、不燃、低蒸汽壓。離子液體的此特點(diǎn)減少了自身的揮發(fā)，從而減輕了對(duì)環(huán)境的污染。②溶解能力良好。此特點(diǎn)有利于離子液體作為實(shí)驗(yàn)溶劑使用，能夠使實(shí)驗(yàn)反應(yīng)在均衡的狀態(tài)中進(jìn)行，同時(shí)還起到了催化劑的作用。③具有“可設(shè)性”。此特點(diǎn)可控制陰陽(yáng)離子的組合，形成所需的離子液體。④具備導(dǎo)電的特質(zhì)。此特點(diǎn)使其成為很多物質(zhì)電化學(xué)研究的電解液，為拓寬電化學(xué)窗口提供了方便。⑤熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性良好、熱容大、能與其他物質(zhì)分離且能循環(huán)利用。在實(shí)驗(yàn)中，使用傳統(tǒng)的溶劑和進(jìn)行萃取分離時(shí)，一般會(huì)采用易揮發(fā)、有害的有機(jī)溶劑。這不僅會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)工作人員造成化學(xué)實(shí)驗(yàn)的傷害，同時(shí)還會(huì)造成環(huán)境污染。但由于離子液體具有低蒸汽壓、毒性小、低揮發(fā)性的特點(diǎn)，能在實(shí)驗(yàn)操作的過(guò)程中與水和空氣保持穩(wěn)定的關(guān)系，不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并能在室溫條件下以液態(tài)的形式存在，因此離子液體比傳統(tǒng)的有機(jī)溶劑安全，且污染小。

3 離子液體的合成

3.1 一步合成法

一步合成法是通過(guò)季胺化反應(yīng)或酸堿中和反應(yīng)一步合成離子液體，也被稱(chēng)為“直接法”。比如1-丁基-3-甲基咪唑鹽、[EMIm]、[CF3SO3]等多種離子液體，是由乙胺的水溶液與硝酸進(jìn)行中和反應(yīng)后制備出了硝基乙胺離子液體，然后再通過(guò)季胺化反應(yīng)制備出來(lái)，由Hiraod等制備出的不同陽(yáng)離子的四氟硼酸鹽離子液體也是通過(guò)種方法得到的。再舉個(gè)具體的例子，咪唑類(lèi)室溫離子液體的合成過(guò)程是將甲醛、甲胺、正丁胺、乙二醛和四氟硼酸水溶液與咪唑類(lèi)室溫離子液體的反應(yīng)體系進(jìn)行一步反應(yīng)，以66%的產(chǎn)率生產(chǎn)一種淡黃色的包括有40%的1，3-二丁基咪唑四氟硼酸鹽，50%的1-甲基-3-丁基咪唑四氟硼酸鹽和10%的1，3-二甲基咪唑四氟硼酸鹽的室溫離子液體混合物。其操作過(guò)程經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)便，產(chǎn)物易純化，沒(méi)有副產(chǎn)物。

3.2 微波輔助合成法

采用微波輔助合成法主要是為了提高成鹽反應(yīng)的收率、顯著縮短反應(yīng)時(shí)間，是結(jié)合微波和離子液體的自身特性，用微波加熱的方式來(lái)制備離子液體。離子液體是種特殊的液體物質(zhì)，其完全由陰陽(yáng)離子組成，同時(shí)具有強(qiáng)大的微波吸收力。在合成反應(yīng)中，離子液體一旦形成，就會(huì)使用自身帶有的微波吸收力吸引更多的微波能量，這有助于后續(xù)的反應(yīng)，比如N-正丁基吡啶四氟硼酸鹽（[bpy]BF4）的合成就是這樣一個(gè)過(guò)程。

3.3 超聲波輔助合成法

超聲波輔助合成法主要采用了超聲波技術(shù)，利用頻率大于18 kHz的聲波進(jìn)行一系列實(shí)驗(yàn)操作實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡姆椒?。?shí)驗(yàn)采用的超聲波技術(shù)屬于一種聲化學(xué)方法，比如Leveque等是以[BMIm]Cl和銨鹽為原料，以丙酮為溶劑，在20～40 ℃超聲波輻射1 h，[BMIm]BF4、[BMIm]PF6、[BMIm]CF3SO3等離子液體經(jīng)過(guò)反應(yīng)后再合成就完成了。該方法快速簡(jiǎn)便，是因?yàn)槌暡ň哂袦p小液體中懸浮粒子的尺寸和提高異相反應(yīng)速率的作用，因此，合成的產(chǎn)率和純度比傳統(tǒng)方法高。

4 離子液體作為溶劑的應(yīng)用

離子液體目前已經(jīng)成為了比較受歡迎的實(shí)驗(yàn)溶劑，主要是因?yàn)槠湓谳腿》蛛x的過(guò)程中不會(huì)揮發(fā)出對(duì)人體和環(huán)境有害的有毒氣體，具有低蒸汽壓、無(wú)毒和低揮發(fā)性的特點(diǎn)，加上在室溫下以液體形式存在、在水和空氣中能穩(wěn)定存在的易保存特點(diǎn)，所以受到了實(shí)驗(yàn)工作人員的青睞。

4.1 作為溶劑直接使用

離子液體具有良好的溶解能力，能溶解纖維素，這對(duì)環(huán)境保護(hù)有著重要作用。纖維素的資源豐富、價(jià)格低廉，當(dāng)纖維素遇上離子液體后，可被溶解轉(zhuǎn)化成工業(yè)原料、精細(xì)化學(xué)品、食品、藥品和飼料等，有效利用了地球上的纖維素，有利于保護(hù)環(huán)境。

4.2 在分離和萃取方面的應(yīng)用

由于離子液體能在水和空氣中穩(wěn)定存在，并在室溫下以液體形式存在，液態(tài)溫度范圍廣，所以將其與有機(jī)物和無(wú)機(jī)物融合時(shí)，具有一定的溶解性。再者，由于自身密度大，離子液體與很多有機(jī)溶劑不相溶，這可使溶解的產(chǎn)物與溶劑相分離，有利于促進(jìn)綠色化學(xué)的發(fā)展。

5 結(jié)束語(yǔ)

離子液體的特點(diǎn)使其在萃取分離過(guò)程中可以直接作為溶劑使用，不會(huì)危害環(huán)境和實(shí)驗(yàn)人員的健康。但是離子液體的合成至今還處于研究階段，還不能在實(shí)驗(yàn)中完全發(fā)揮其作用。同時(shí)，雖然離子液體比傳統(tǒng)溶劑更具優(yōu)越性，能促進(jìn)綠色化學(xué)的發(fā)展，但是制備離子液體可能存在的腐蝕性和生物降解等問(wèn)題還需要深入的研究和探討。

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〔編輯：王霞〕