綠色溶劑離子液體在材料和有機(jī)合成中的研究

劉 銘，張依蒙，田 鵬*，戰(zhàn)瀟藝，段紀(jì)東

(1.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；2.沈陽(yáng)師范大學(xué) 實(shí)驗(yàn)中心，遼寧 沈陽(yáng) 110034)

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[1-2]。由于具有這些優(yōu)異性質(zhì)，世界范圍內(nèi)正熱烈開展關(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[3]。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[4]。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℃，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[5]。

1 離子液體在材料方面的應(yīng)用

1.1 離子液體的固載化和納米化

在催化反應(yīng)體系中，合適配合物的使用可以使離子液體和催化劑更加緊密地結(jié)合在一起，使反應(yīng)更加高效的進(jìn)行，達(dá)到離子液體的固載化。如何提高離子液體的利用率、有效分離和回收是離子液體的固載化過程中人們普遍關(guān)注的問題。解決這一問題可將離子液體包于納米孔中，形成穩(wěn)定的離子液體，同時(shí)可以調(diào)整孔和離子液體的大小，達(dá)到牢固擔(dān)載的目的[6]。這樣一來(lái)便可以有效提高離子液體的催化性能，也可以更有效的進(jìn)行回收和分離。

1.2 離子液體作為敏感材料

離子液體可以充當(dāng)敏感材料來(lái)檢測(cè)有機(jī)揮發(fā)物，其原理是，當(dāng)有少量有機(jī)物溶解在離子液體中時(shí)，其黏度會(huì)大大降低[7]，離子液體的這一特點(diǎn)已經(jīng)被應(yīng)用到石英晶體微量天平中，用以取代以往固態(tài)的有機(jī)或無(wú)機(jī)涂層，效果頗為顯著。利用離子液體溶解有機(jī)物質(zhì)比普通溶劑具有更快的速率這一特點(diǎn)，在檢測(cè)物質(zhì)時(shí)，響應(yīng)時(shí)間被大大縮短了。

1.3 離子液體作為潤(rùn)滑材料

在高溫、低溫或者真空等比較嚴(yán)苛條件下，潤(rùn)滑劑可能會(huì)出現(xiàn)氧化分解或揮發(fā)等問題[8]，離子液體由于具有極小的蒸汽壓，較好的熱穩(wěn)定性和較寬的液體范圍，作為潤(rùn)滑材料對(duì)于解決這些問題具有較為突出的價(jià)值，因此在航空航天領(lǐng)域貢獻(xiàn)顯著。

1.4 離子液體作為儲(chǔ)能材料

太陽(yáng)能的收集和存儲(chǔ)問題長(zhǎng)期以來(lái)困擾著能源工業(yè)者。高溫熔鹽作為特殊條件下的存儲(chǔ)介質(zhì)[9]，很難得到廣泛應(yīng)用，原因在于其熔點(diǎn)太高。離子液體兼有密度高、熔點(diǎn)低、熱容量高、穩(wěn)定性較好等優(yōu)異特性，使其在能量存儲(chǔ)和傳輸中，擔(dān)任一種良好的介質(zhì)。

2 離子液體在有機(jī)合成中的應(yīng)用

在有機(jī)合成反應(yīng)中，由于大部分傳統(tǒng)有機(jī)溶劑存在毒性和揮發(fā)性，使得環(huán)境受到較為嚴(yán)重的污染，同時(shí)使人類的生存受到威脅。離子液體在有機(jī)化工合成中受到越來(lái)越多的重視，原因在于其較低的蒸汽壓和幾近于零的揮發(fā)性，安全無(wú)污染，使其作為溶劑和催化劑，在工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用[10]。

2.1 離子液體在二氧化碳固定-轉(zhuǎn)化方面的應(yīng)用

二氧化碳在空氣中的比例為0.03%，它是植物光合作用的原料。然而近些年來(lái)，由于燃料的大量燃燒、汽車尾氣的排放以及大量植被的砍伐，導(dǎo)致空氣中二氧化碳的含量一直在升高。二氧化碳的增多，將導(dǎo)致溫室效應(yīng)，導(dǎo)致溫度升高。因此有關(guān)二氧化碳的固定也成為了眾人矚目的話題?？茖W(xué)研究表明，離子液體對(duì)二氧化碳有溶解力。離子液體因?yàn)槠鋬?yōu)良的物理性質(zhì)，解決了用傳統(tǒng)溶劑吸收二氧化碳卻可能帶來(lái)新的污染這一弊端。

2.2 離子液體開始在聚合反應(yīng)中慢慢興起

雖然離子液體在聚合反應(yīng)中的應(yīng)用只是剛剛開始起步，但是由于離子液體的優(yōu)良特性，解決了傳統(tǒng)溶劑在聚合反應(yīng)中的污染環(huán)境的重大問題。因?yàn)閭鹘y(tǒng)的聚合反應(yīng)工藝存在污染的重大問題，所以離子液體的加入為聚合反應(yīng)注入新的希望。離子液體也解決了因傳統(tǒng)溶劑的催化劑殘留而造成產(chǎn)品部純的問題。雖然離子液體在聚合反應(yīng)中只是剛剛開始研究應(yīng)用，但是其所表現(xiàn)出來(lái)的巨大的優(yōu)勢(shì)將使生化科學(xué)家和各個(gè)企業(yè)家對(duì)其特別關(guān)注，離子液體在聚合反應(yīng)中的應(yīng)用必然會(huì)開辟聚合反應(yīng)領(lǐng)域的新篇章。

2.3 離子液體在生物催化反應(yīng)中的的應(yīng)用

生物催化是近代生化科學(xué)發(fā)展的領(lǐng)先領(lǐng)域。因?yàn)樯锎呋饕巧锎呋傅淖饔?。而酶的反?yīng)需要很多條件的制約：反應(yīng)需要溫和的反應(yīng)溫度、酸堿度，純凈的環(huán)境等等。由于酶的反應(yīng)對(duì)環(huán)境要求苛刻，所以傳統(tǒng)溶劑很難滿足要求，容易造成污染，影響酶的活性。而離子液體具有很多優(yōu)良的物理性質(zhì)，非揮發(fā)性，無(wú)毒、無(wú)污染，這就使得離子液體在生物催化領(lǐng)域得到了很好的發(fā)展。

2.4 離子液體在均相絡(luò)合催化反應(yīng)中的應(yīng)用

在過渡金屬絡(luò)合催化反應(yīng)中，通常陰離子自身的大小和電荷很大程度上決定了陰離子的配位特性，影響其配位特性的因素還有中心金屬的酸(硬)度、周圍存在的配體及氧化態(tài)。過渡金屬配合物在離子液體中的可溶性成分，通常取決于離子液體的分子結(jié)構(gòu)的金屬離子和配體和溶劑的性質(zhì)。早在1972年，Parshall等報(bào)道了首個(gè)離子液體為介質(zhì)的過渡金屬催化反應(yīng)，離子液體用于均相絡(luò)合催化反應(yīng)興起于1990年Chauvin等實(shí)現(xiàn)了離子液體中的鎳催化丙烯二聚反應(yīng)。把水和廉價(jià)易得的溶劑與離子液體結(jié)合并用于過渡金屬絡(luò)合催化，將為“綠色”化學(xué)的發(fā)展做出獨(dú)特的貢獻(xiàn)。

3 在光譜分析中的應(yīng)用

光譜法分析包括：原子發(fā)射光譜法、原子吸收光譜法、紫外吸收光譜法、紅外吸收光譜法、激光拉曼光譜法和分子發(fā)光光譜法等等[11]。離子液體在紅外光譜分析和紫外光譜分析中得到越來(lái)越多的應(yīng)用，主要原因是離子液體與許多有機(jī)溶劑互溶，形成的溶液均一、穩(wěn)定。用紫外光譜法可以檢測(cè)離子液體在有機(jī)溶劑中的含量，紅外光譜分析和紫外光譜分析均可確定離子液體的吸收峰，通過吸收峰的位置確定離子液體的結(jié)構(gòu)。光譜分析法優(yōu)點(diǎn)：(1)用量較少；(2)方法簡(jiǎn)單、易操作；(3)結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

4 離子液體的前景展望

作為綠色溶劑的離子液體，受到越來(lái)越多化學(xué)研究者的關(guān)注與重視，離子液體的應(yīng)用也逐步涉入到各個(gè)領(lǐng)域[12-15]。離子液體的性質(zhì)可以通過改變其組成的陰、陽(yáng)離子進(jìn)行調(diào)節(jié)，這使得其應(yīng)用廣泛。然而有時(shí)候機(jī)遇是與挑戰(zhàn)并存的，與傳統(tǒng)有機(jī)溶劑相比，離子液體固然有很多優(yōu)異特點(diǎn)，但不可否認(rèn)的是也存在一些缺陷和局限性。當(dāng)前，離子液體的應(yīng)用已經(jīng)日益趨于成熟，同時(shí)也可以說對(duì)于離子液體的研究才剛剛開始，更多的挑戰(zhàn)等待科學(xué)家去戰(zhàn)勝，更多的機(jī)遇等待化學(xué)工作者去發(fā)掘。所以，只有以更加謙虛謹(jǐn)慎的態(tài)度投身化學(xué)研究，才能有更多令人驚異的成果被探索出來(lái)，期待著更加巨大的化學(xué)寶藏被開發(fā)，環(huán)境問題、能源問題能被更有效的解決，我們生活的環(huán)境更加美好。

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