離子液體的性質(zhì)、合成及應(yīng)用

殷保麗++郝夢(mèng)洋

摘要：近年來(lái)，由于離子液體的新穎而又獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)而備受關(guān)注，越來(lái)越多的科研工作者專攻離子液體領(lǐng)域。離子液體作為新型的綠色溶劑，為綠色工程工藝的開(kāi)發(fā)，升級(jí)傳統(tǒng)的高耗能工業(yè)過(guò)程都起著至關(guān)重要的作用。本文主要討論離子液體的性質(zhì)，合成方法，及其應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：離子液體，離子液體的合成，離子液體的應(yīng)用

一、引言

自1992年以[BF4]、[PF6]為陰離子的第二代離子液體問(wèn)世后，越來(lái)越多的科研工作者在這個(gè)領(lǐng)域做相關(guān)研究，與此同時(shí)，應(yīng)用領(lǐng)域也從最初的電化學(xué)迅速擴(kuò)展到高分子、萃取分離、生物質(zhì)能源、材料、環(huán)境等諸多領(lǐng)域[1]。

二、離子液體的性質(zhì)

（一）離子液體的物理化學(xué)性質(zhì)。

1.離子液體的密度。

離子液體的密度易于調(diào)變，且受溫度、溶劑等的影響很小。大部分離子液體的密度都在1.1-1.6g/cm3范圍內(nèi)，但吡咯鹽和胍鹽的密度在0.9-0.97g/cm3之間。這說(shuō)明大部分離子液體在兩相應(yīng)用更為廣泛（相比水）。通過(guò)前輩的研究可知，離子液體的密度受陰陽(yáng)離子的類型影響較大，相比來(lái)說(shuō)，陰離子較陽(yáng)離子影響大。且通常來(lái)說(shuō)，陰離子越大，離子液體的密度越大[2]，陽(yáng)離子體積越大，離子液體的密度越小。

2.離子液體溶解性。

離子液體能夠溶解許多有機(jī)化合物以及高分子材料。離子液體這種好的溶解性和其結(jié)構(gòu)中陰陽(yáng)離子有著密不可分的關(guān)系。通常，離子液體的季銨陽(yáng)離子側(cè)鏈越大，有機(jī)物在離子液體中的溶解度越大。

（二）離子液體的合成。

陰陽(yáng)離子的不同組合可以設(shè)計(jì)合成出不同的離子液體，因此，離子液體種類繁多。現(xiàn)如今許多研究仍采用嘗試的方法尋求合適的離子液體，但這必然是艱難的。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，相關(guān)學(xué)者通過(guò)收集大量的離子液體物性數(shù)據(jù)，建立離子液體數(shù)據(jù)庫(kù)[3]。這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)一共9400條數(shù)據(jù)，其中有1886種離子液體，包含807種陽(yáng)離子，185種陰離子。這種將離子液體的物性數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，使得尋找適合的離子液體非常容易。但是離子液體的制備仍舊是一個(gè)難題，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的探究，常用的合成方法有以下幾種：

1.常規(guī)合成法。

現(xiàn)在具有普適性的方法就是離子液體常規(guī)合成法中的一步法和兩步法[4]。

一步法：叔胺與鹵代烴類或酯類物質(zhì)發(fā)生加成反應(yīng)，或利用叔胺的堿性，通過(guò)酸堿中和原理生成目標(biāo)離子液體。

兩步法：先通過(guò)鹵代烴與叔胺反應(yīng)制備出季銨鹽；再通過(guò)置換反應(yīng)用離子液體目標(biāo)陰離子替換鹵素離子[7]。

但是這種方法也有缺點(diǎn)，通常需要在攪拌下加熱幾個(gè)或幾十個(gè)小時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間的加熱導(dǎo)致原料的損失較為嚴(yán)重，因此目標(biāo)離子液體的產(chǎn)率較低。

2.外場(chǎng)強(qiáng)化法。

外場(chǎng)主要是微波和超聲波。微波法的基本原理是：在快速變化的電磁場(chǎng)中，極性分子由于不停地?zé)o規(guī)則運(yùn)動(dòng)引起分子碰撞、摩擦，因而產(chǎn)生大量的熱[5]。此種方法相對(duì)來(lái)說(shuō)反應(yīng)速率較快，一些反映只需要幾分鐘就可以完成。

超聲波法：超聲波主要借助超聲空化作用在液體內(nèi)部形成局部的高溫高壓，并且超聲波在一定程度上起到了攪拌作用，因此反應(yīng)速率很高[5]。

（三）離子液體的應(yīng)用。

1.離子液體在電化學(xué)方面的應(yīng)用。

離子液體具有良好的離子導(dǎo)電性，且離子液體可以避免以水為溶劑時(shí)存在的金屬和水反應(yīng)等現(xiàn)象。由于離子液體作為電池的電解質(zhì)時(shí)不需要高溫，因此目前常將離子液體應(yīng)用于燃料電池、雙電層電容器、金屬的電沉積和鋰二次電池中等。

2.離子液體可以作為溶劑。

離子液體完全由離子組成，離子間的靜電作用相對(duì)較大，因此可以使工藝流程簡(jiǎn)單，且使許多的可再生能源得到利用，節(jié)約資源。例如：傳統(tǒng)的溶解纖維素的方法為溶膠法，此種方法耗能大、成本高且過(guò)程繁瑣，經(jīng)過(guò)研究表明，纖維素在氯代1-烯丙基-3-甲基咪唑離子液體中可以直接溶解，且溶解速率很高[6]。

3.離子液體在生物催化中的應(yīng)用。

2000年，Cull[7]等經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明以H2O-[bmim][PF6]為兩相為溶劑進(jìn)行1，3–二氰基苯的水合反應(yīng)，細(xì)胞聚集的現(xiàn)象很少，且反應(yīng)完成后產(chǎn)率較高，兩相易于分離。雖然離子液體在生物催化領(lǐng)域的研究還不夠深入，但是離子液體比有機(jī)溶劑的選擇性強(qiáng)，我們可以看到離子液體的發(fā)展前景很好。

三、結(jié)論與展望

綜上所述，離子液體作為一種新型的環(huán)保型溶劑，在電化學(xué)、生物質(zhì)催化等領(lǐng)域中起著至關(guān)重要的作用，同時(shí)為我們倡導(dǎo)的綠色化學(xué)提供了新的機(jī)遇，也為相應(yīng)的科研工作者帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。相信隨著科技的進(jìn)步，研究的深入，不久的將來(lái)會(huì)有越來(lái)越多的離子液體被發(fā)現(xiàn)和研究，而對(duì)于現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)的離子液體的性質(zhì)也會(huì)得到更為完整的研究、歸納。

參考文獻(xiàn)：

[1]張曉春，張鎖江，左勇，趙國(guó)英，張香平，離子液體的制備及應(yīng)用[J]，化學(xué)進(jìn)展，2010，22（7）：1499-1508.

[2]DZYUBA S V，BARTSCH R A，Influence of structural variations in 1-alkyl （aralkyl）-3-methy limidazolium hexafluo rophosphates and bis（trifluo rome thylsulfonyl） imides on physical properties of the ionic liquids[J]. Chem Phys Chem，2002，3（2）：161 -166.

[3]Zhang S， Sun N， He X， Lv X， Zhang X. Physical properties of ionic liquids： database and evaluation. J Phys Chem Ref Data， 2006， 35： 1475-1517.

[4]石家華，孫遜，楊春和等，離子液體研究進(jìn)展[J]，化學(xué)通報(bào)，2002，4：243-250.

[5]張鎖江，呂興梅，劉志平等，離子液體—從基礎(chǔ)研究到工業(yè)應(yīng)用[J]，北京：科學(xué)出版社，2006，150-157.

[6]程凌燕，朱天祥等，纖維素在離子液體中的溶解特性研究[J].合成纖維，2008，4：9-13.

[7]Cull S G， Holbrey J D， Vargas-Mora V， et al. Room Temperature Ionic Liquids as Replacements for Organic Solvents in Multiphase Bioprocess Operations[J]. Biotechnol. Bioeng.， 2000， 69（2）： 227–233.endprint