離子液體簡介

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上離子液體百科名片 離子液體離子液體是指全部由離子組成的液體，如高溫下的KCI, KOH呈液體狀態(tài)，此時它們就是離子液體。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、室溫熔融鹽、有機離子液體等，目前尚無統(tǒng)一的名稱，但傾向于簡稱離子液體。在離子化合物中，陰陽離子之間的作用力為庫侖力，其大小與陰陽離子的電荷數(shù)量及半徑有關(guān)，離子半徑越大，它們之間的作用力越小，這種離子化合物的熔點就越低。某些離子化合物的簡介離子液體的歷史可以追溯到1914年，當時Walden報道了(EtNH3)+ HNO3-的合成(熔點12) 。這種物質(zhì)由濃硝酸和乙胺反應(yīng)制得，但是，由于

2、其在空氣中很不穩(wěn)定而極易發(fā)生爆炸，它的發(fā)現(xiàn)在當時并沒有引起人們的興趣，這是最早的離子液體。一般而言，離子化合物熔解成液體需要很高的溫度才能克服離子鍵的束縛，這時的狀態(tài)叫做“熔鹽”。離子化合物中的離子鍵隨著陽離子半徑增大而變?nèi)?，熔點也隨之下降。對于絕大多數(shù)的物質(zhì)而言混合物的熔點低于純物質(zhì)的熔點。例如NaCl的熔點為803，而50 %LICI-50 %AICl3()組成的混合體系的熔點只有144。如果再通過進一步增大陽離子或陰離子的體積和結(jié)構(gòu)的不對稱性，削弱陰陽離子間的作用力，就可以得到室溫條件下的液體離子化合物。根據(jù)這樣的原理，1951年F.H.Hurley和T.P. Wiler首次合成了在環(huán)境

3、溫度下是液體狀態(tài)的離子液體。他們選擇的陽離子是N-乙基吡啶，合成出的離子液體是溴化正乙基吡啶和氯化鋁的混合物(氯化鋁和溴化乙基吡啶摩爾比為1:2) 。但這種離子液體的液體溫度范圍還是相對比較狹窄的，而且，氯化鋁離子液體遇水會放出氯化氫，對皮膚有刺激作用。直到1976年，Colorado州立大學(xué)的Robert利用AICl3/N-EtPyCl作電解液，進行有機電化學(xué)研究時，發(fā)現(xiàn)這種室溫離子液體是很好的電解液，能和有機物混溶，不含質(zhì)子，電化學(xué)窗口較寬。1982年Wilkes以1-甲基-3-乙基咪唑為陽離子合成出氯化1-甲基-3-乙基咪唑，在摩爾分數(shù)為50%的AICl3存在下，其熔點達到了8。在這以后

4、，離子液體的應(yīng)用研究才真正得到廣泛的開展。 種類離子液體是指在室溫或接近室溫下呈現(xiàn)液態(tài)的、完全由陰陽離子所組成的鹽，也稱為低溫熔融鹽。離子液體作為離子化合物，其熔點較低的主要原因是因其結(jié)構(gòu)中某些取代基的不對稱性使離子不能規(guī)則地堆積成晶體所致。它一般由有機陽離子和無機陰離子組成，常見的陽離子有季銨鹽離子、季鏻鹽離子、咪唑鹽離子和吡咯鹽離子等（如下圖所示），陰離子有鹵素離子、四氟硼酸根離子、六氟磷酸根離子等。 目前所研究的離子液體中，陽離子主要以咪唑陽離子為主，陰離子主要以鹵素離子和其它無機酸離子（如四氟硼酸根等）為主。但近幾年來又合成了一系列新型的離子液體，例如在陽離子方面，Shreeve領(lǐng)導(dǎo)的

5、研究小組合成了一些新型陽離子的離子液體如下所示： 在陰離子方面，Yoshida研究小組也合成了一些新型陰離子的離子液體，如下所示： 由于離子液體本身所具有的許多傳統(tǒng)溶劑所無法比擬的優(yōu)點及其作為綠色溶劑應(yīng)用于有機及高分子物質(zhì)的合成，因而受到越來越多的化學(xué)工作者的關(guān)注。 離子液體的制備離子液體種類繁多，改變陽離子、陰離子的不同組合，可以設(shè)計合成出不同的離子液體。離子液體的合成大體上有兩種基本方法：直接合成法和兩步合成法。 直接合成法通過酸堿中和反應(yīng)或季胺化反應(yīng)等一步合成離子液體，操作經(jīng)濟簡便，沒有副產(chǎn)物，產(chǎn)品易純化。Hlrao等酸堿中和法合成出了一系列不同陽離子的四氟硼酸鹽離子液體。另外，通過季胺

6、化反應(yīng)也可以一步制備出多種離子液體，如鹵化1-烷基3-甲基咪唑鹽，鹵化吡啶鹽等。 兩步合成法直接法難以得到目標離子液體，必須使用兩步合成法。兩步法制備離子液體的應(yīng)用很多。常用的四氟硼酸鹽和六氟磷酸鹽類離子液體的制備通常采用兩步法。首先，通過季胺化反應(yīng)制備出含目標陽離子的鹵鹽；然后用目標陰離子置換出鹵素離子或加入Lewis酸來得到目標離子液體。在第二步反應(yīng)中，使用金屬鹽MY(常用的是AgY)，HY或NH4Y時，產(chǎn)生Ag鹽沉淀或胺鹽、HX氣體容易被除去，加入強質(zhì)子酸HY，反應(yīng)要求在低溫攪拌條件下進行，然后多次水洗至中性，用有機溶劑提取離子液體，最后真空除去有機溶劑得到純凈的離子液體。特別注意的是，

7、在用目標陰離子Y交換X-(鹵素)陰離子的過程中，必須盡可可能地使反應(yīng)進行完全，確保沒有x.陰離子留在目標離子液體中，因為離子液體的純度對于其應(yīng)用和物理化學(xué)特性的表征至關(guān)重要。高純度二元離子液體的合成通常是在離子交換器中利用通過陰離子交換來制備。另外，直接將Lewis酸（MY）與鹵鹽結(jié)合，可制備陽離子MnXny+l型離子液體，如氯鋁酸鹽離子液體的制備就是利用這個方法，如離子液體的性質(zhì)中所述，離子液體的酸性可以根據(jù)需要進行調(diào)節(jié)。 由于離子液體的可設(shè)計性，所以根據(jù)需要定向的設(shè)計功能化離子液體是我們實驗研究的方向。 應(yīng)用由于離子液體所具有的獨特性能，目前它被廣泛應(yīng)用于化學(xué)研究的各個領(lǐng)域中。離子液體作為

8、反應(yīng)的溶劑已被應(yīng)用到多種類型反應(yīng)中。 1.1.4.1 氫化反應(yīng)將離子液體應(yīng)用于氫化反應(yīng)已有大量的報道，反應(yīng)中應(yīng)用離子液體替代普通溶劑優(yōu)點是：反應(yīng)速率比普通溶劑中快幾倍；所用的離子液體和催化劑的混合液可以重復(fù)利用。研究表明，在過程中離子液體起到溶劑和催化劑的雙重作用。 由于離子液體能溶解部分過渡金屬，因而目前在氫化反應(yīng)中運用離子液體研究最多的是用過渡金屬配合物作為催化劑的均相反應(yīng)體系。另外，相對于傳統(tǒng)溶劑來說，將離子液體運用于柴油（主要是針對其中含有的芳烴）的氫化反應(yīng)時具有產(chǎn)品易于分離、易純化，又不會造成環(huán)境污染等優(yōu)點。 1.1.4.2 傅-克反應(yīng)傅-克反應(yīng)包括傅-克酰基化和傅-克烷基化反應(yīng)，這

9、兩種類型的反應(yīng)在有機化工中具有舉足輕重的地位。比較成熟的催化劑有沸石、固體酸和分子篩等。但是出于綠色合成和成本的考慮，許多化學(xué)工作者已改傳統(tǒng)溶劑為離子液體進行相關(guān)研究。 例如，Seddon等利用離子液體研究了兩可親核試劑吲哚和2-萘酚的烷基化反應(yīng)，該方法簡單、產(chǎn)品易于分離，雜原子上的區(qū)域選擇性烷基化產(chǎn)率在90%以上，而且溶劑可以回收再利用，顯示了離子液體作為烷基化反應(yīng)的溶劑時所具有的優(yōu)勢。 1972年，Parshall就研究了在四已胺三氯錫酸鹽中乙烯的羰基化反應(yīng)。近些年來,化學(xué)工作者在此方面做出了較多的努力。例如我國化學(xué)工作者鄧友全等在烷烴的羰基化方面作了相關(guān)的研究。他們首次報道了幾種烷烴在鹵

10、化1-烷基吡啶和1-甲基-3-烷基咪唑鹽與無水AlCl3組成的超強酸性室溫離子液體中與CO的直接羰基化反應(yīng)，產(chǎn)物為酮。 1.1.4.3 Heck反應(yīng)Heck反應(yīng)即烯烴和鹵代芳烴或芳香酐在催化劑（如金屬鈀）的作用下，生成芳香烯烴的反應(yīng)，這在有機合成中是一個重要的碳-碳結(jié)合反應(yīng)。離子液體應(yīng)用于此類反應(yīng)中能較好地克服傳統(tǒng)反應(yīng)存在的催化劑流失、所使用的有機溶劑揮發(fā)等問題。2000年，Vincenzo等報道了將離子液體應(yīng)用于Heck反應(yīng)后，該反應(yīng)的反應(yīng)速率很快，而且收率提高到90%以上Seddon等研究小組在三相系統(tǒng)BMIM(1-丁基-3-甲基咪唑)PF6/水/己烷中進行了Heck反應(yīng)的研究，所用的催化

11、劑留在離子液體中，可以循環(huán)使用，而產(chǎn)品溶解在有機層內(nèi)，反應(yīng)形成的副產(chǎn)物被提取到水相中，容易分離。 1.1.4. Diels-Alder反應(yīng)Diels-Alder反應(yīng)是有機化學(xué)中的一個重要反應(yīng)，人們對該反應(yīng)的注意點不僅是其產(chǎn)率和速率，更重要的是其立體選擇性。將離子液體應(yīng)用于Diels-Alder反應(yīng)研究方面，現(xiàn)在已有大量的報道。如Howarth等研究小組報道了在咪唑鹽室溫離子液體中環(huán)戊二烯與烯醛類物質(zhì)反應(yīng)進行的情況。研究發(fā)現(xiàn)，在離子液體中進行時該反應(yīng)的立體選擇性較好，即得到的內(nèi)外型產(chǎn)物的比例約在95：5左右。研究都發(fā)現(xiàn)，在離子液體中進行的該反應(yīng)不但反應(yīng)速度快，反應(yīng)產(chǎn)率高，反應(yīng)的立體選擇性好，而且

12、離子液體可以回收重新使用。這說明，離子液體在Diels-Alder反應(yīng)方面比普通溶劑具有更大的優(yōu)勢。 1.1.4.5 在不對稱催化反應(yīng)中的應(yīng)用研究表明，將離子液體應(yīng)用于不對稱催化反應(yīng)，對映體的選擇性相對于普通溶劑有很大的提高，而且解決了傳統(tǒng)方法中產(chǎn)物不易從體系中分離出來這一難題。將離子液體應(yīng)用于不對稱催化反應(yīng)中已有大量的報道，如Chen研究組報道了將離子液體應(yīng)用于不對稱烯丙基烷基化反應(yīng)中；Song研究組則將離子液體應(yīng)用于不對稱環(huán)氧化反應(yīng)中；Wasserschied等最近報道了從“手性池”（chiral pool）衍生的新型手性離子液體的合成和特性，我們相信這些手性離子液體的合成對于研究不對稱催

13、化反應(yīng)尤其在手性藥物合成方面將會有重大意義。 1.1.4.6 用于分離提純技術(shù)由于離子液體具有其獨特的理化性能，非常適合于用作分離提純的溶劑?，F(xiàn)在在此方面已有大量的報道，如利用離子液體從發(fā)酵液中提取回收丁醇；利用超臨界CO2從離子液體中提取非等等。我國化學(xué)工作者鄧友全等在此方面也有一定的研究。他們首次將離子液體應(yīng)用到固-固分離領(lǐng)域中，以BMIMPF6作為分離牛黃酸和硫酸鈉固體混合物的浸取劑，有效地分離了牛黃酸，回收率高于97%，此方法具有很大的應(yīng)用價值。 1.1.4.7 用于電化學(xué)研究由于離子液體具有導(dǎo)電性、難揮發(fā)、不燃燒、電化學(xué)穩(wěn)定電位窗口比其它電解質(zhì)水溶液大很多等特點，因此，將離子液體應(yīng)用

14、于電化學(xué)研究時可以減輕放電，作為電池電解質(zhì)使用溫度遠遠低于融熔鹽，目前離子液體已經(jīng)作為電解液應(yīng)用于制造新型高性能電池、太陽能電池以及電容器等。例如，美國航空化學(xué)研究中心的Wilkes等研究的BIME電池中使用的離子液體就是EMIMBF4；的Bonhöte研究了一系列利用離子液體作為電解質(zhì)的太陽能電池；McEewen等人將離子液體應(yīng)用于電容器，這些研究都取得了一定的成果。 前景迄今為止，室溫離子液體的研究取得了驚人的進展。于2000年召開了有關(guān)離子液體的專家會議；歐盟委員會有一個有關(guān)離子液體的3年計劃；、韓國也有相關(guān)研究的相繼報道。在我國，中國科學(xué)院西部生態(tài)綠色化學(xué)研究發(fā)展中心

15、、綠色催化實驗室、離子液體研究中心等機構(gòu)也開展專門的研究。蘭州化學(xué)物理研究所已在該領(lǐng)域取得重大突破，率先制備了多種咪唑類。 世界領(lǐng)先的離子液體開發(fā)者Solvent Innovation公司即將推出數(shù)以噸計的商品。Solvent Innovation公司也正在開發(fā)一系列的離子液體，以取代對環(huán)境極有害的溶劑。其Ecoeng商標的無鹵素離子液體出售量達1t的該系列包括1-烷基-3-甲基咪唑硫酸酯來取代鹵化的溶劑。Ecoeng系列將提供更為綠色的產(chǎn)品和工藝，今后幾年內(nèi)僅有.2或3種離子液體達到數(shù)噸數(shù)量的工業(yè)生產(chǎn)，可育都是不含鹵族原子的。最近在美國化學(xué)學(xué)會的離子液體開發(fā)組正討論其商業(yè)計劃。 離子液體正在

16、以強勁的勢頭和嶄新的姿態(tài)開始問世。 離子液體由帶正電的離子和帶負電的離子組成，現(xiàn)在多指在低于100時呈液體狀態(tài)的熔鹽?；屎蟠髮W(xué)離子液體研究中心主任賽頓說，從理論上講離子液體可能有1萬億種，化學(xué)家可以從中選擇適合自己工作需要的離子液體。與典型的有機溶劑不一樣，離子液體一般不會成為蒸汽，所以在化學(xué)實驗過程中不會產(chǎn)生對大氣造成污染的有害氣體，而且使用方便。更能引起化學(xué)家感興趣的是，離子液體可以反復(fù)多次使用。此外，用離子液體做催化劑還可加速化學(xué)反應(yīng)的過程。英國石油公司化學(xué)家說，如果英國石油公司在中采用離子液體，則可減少使用揮發(fā)性大的有機溶劑，降低對環(huán)境的污染，減少廢物的產(chǎn)生。 早在19世紀，科學(xué)家就在

17、研究離子液體，但當時沒有引起人們的廣泛興趣。20世紀70年代初，的科學(xué)家開始傾心研究離子液體，以嘗試為導(dǎo)彈和空間探測器開發(fā)更好的電池。在研究中他發(fā)現(xiàn)，一種離子液體可用做電池的液態(tài)電解質(zhì)。到了20世紀90年代末，已有許多科學(xué)家參與離子液體的研究。去年4月有50多人參加了有關(guān)離子液體的研討會，而今年4月召開的離子液體會議就有275人參加，會議同時收到了80篇論文。 離子液體的發(fā)明者等人最近發(fā)現(xiàn)，離子液體不僅是一種綠色溶劑，它還可用作新材料生產(chǎn)過程中的酶催化劑。威爾克斯最近還發(fā)現(xiàn)，離子液體還可以用于處理廢舊輪胎，回收其中的聚合物?？茖W(xué)家最近的研究成果還表明，用離子液體可有效地提取工業(yè)廢氣中的二氧化碳

18、。 與典型的有機溶劑不一樣，在離子液體里沒有電中性的分子，100%是陰離子和陽離子，在負100至200之間均呈液體狀態(tài)，具有良好的熱穩(wěn)定性和導(dǎo)電性，在很大程度上允許動力學(xué)控制；對大多數(shù)無機物、有機物和高分子材料來說，離子液體是一種優(yōu)良的溶劑；表現(xiàn)出酸性及超強酸性質(zhì)，使得它不僅可以作為溶劑使用，而且還可以作為某些反應(yīng)的催化劑使用，這些催化活性的溶劑避免了額外的可能有毒的催化劑或可能產(chǎn)生大量廢棄物的缺點；離子液體一般不會成為蒸汽，所以在化學(xué)實驗過程中不會產(chǎn)生對大氣造成污染的有害氣體；價格相對便宜，多數(shù)離子液體對水具有穩(wěn)定性，容易在水相中制備得到；離子液體還具有優(yōu)良的可設(shè)計性，可以通過分子設(shè)計獲得特

19、殊功能的離子液體?？傊?，離子液體的無味、無惡臭、無污染、不易燃、易與產(chǎn)物分離、易回收、可反復(fù)多次循環(huán)使用、使用方便等優(yōu)點，是傳統(tǒng)揮發(fā)性溶劑的理想替代品，它有效地避免了傳統(tǒng)有機溶劑的使用所造成嚴重的環(huán)境、健康、安全以及設(shè)備腐蝕等問題，為名副其實的、環(huán)境友好的綠色溶劑。適合于當前所倡導(dǎo)的清潔技術(shù)和可持續(xù)發(fā)展的要求，已經(jīng)越來越被人們廣泛認可和接受。 離子液體已經(jīng)在諸如聚合反應(yīng)、選擇性烷基化和胺化反應(yīng)、?；磻?yīng)、酯化反應(yīng)、化學(xué)鍵的重排反應(yīng)、室溫和常壓下的催化加氫反應(yīng)、烯烴的環(huán)氧化反應(yīng)、電化學(xué)合成、支鏈脂肪酸的制備等方面得到應(yīng)用，并顯示出反應(yīng)速率快、轉(zhuǎn)化率高、反應(yīng)的選擇性高、催化體系可循環(huán)重復(fù)使用等優(yōu)

20、點。此外，離子液體在溶劑萃取、物質(zhì)的分離和純化、廢舊的回收、燃料電池和太陽能電池、工業(yè)廢氣中二氧化碳的提取、地質(zhì)樣品的溶解、核燃料和核廢料的分離與處理等方面也顯示出潛在的應(yīng)用前景。 從理論上講離子液體可能有1萬億種，化學(xué)家和生產(chǎn)企業(yè)可以從中選擇適合自己工作需要的離子液體。目前，對離子液體的合成與應(yīng)用研究主要集中在如何提高離子液體的穩(wěn)定性,降低離子液體的生產(chǎn)成本，解決離子液體中高沸點有機物的分離以及開發(fā)既能用作催化反應(yīng)溶劑，又能用作催化劑的離子液體新體系等領(lǐng)域。隨著人們對離子液體認識的不斷深入，相信離子液體綠色溶劑的大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用指日可待，并給人類帶來一個面貌全新的綠色化學(xué)高科技產(chǎn)業(yè)。 離子液體

21、的優(yōu)點一、離子液體無味、不燃，其蒸汽壓極低，因此可用在高真空體系中，同時可減少因揮發(fā)而產(chǎn)生的環(huán)境污染問題； 二、離子液體對有機和無機物都有良好的溶解性能，可使反應(yīng)在均相條件下進行，同時可減少設(shè)備體積； 三、可操作溫度范圍寬（-40300），具有良好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，易與其它物質(zhì)分離，可以循環(huán)利用； 四、表現(xiàn)出 Lewis、Franklin 酸的酸性，且酸強度可調(diào)。 上述優(yōu)點對許多有機化學(xué)反應(yīng)，如聚合反應(yīng)、烷基化反應(yīng)、?；磻?yīng)，離子溶液都是良好的溶劑。 離子液體的特點不揮發(fā)、不可燃、導(dǎo)電性強、室溫下離子液體的粘度很大（通常比傳統(tǒng)的有機溶劑高13個數(shù)量級，離子液體內(nèi)部的范德華力與氫鍵的相互

22、作用決定其粘度。）、熱容大、蒸汽壓小、性質(zhì)穩(wěn)定，對許多無機鹽和有機物有良好的溶解性，在電化學(xué)、有機合成、催化、分離等領(lǐng)域被廣泛的應(yīng)用。 在與傳統(tǒng)有機溶劑和電解質(zhì)相比時，離子液體具有一系列突出的優(yōu)點：（1）液態(tài)范圍寬，從低于或接近室溫到300攝氏度以上，有高的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性；（2）蒸汽壓非常小，不揮發(fā)，在使用、儲藏中不會蒸發(fā)散失，可以循環(huán)使用，消除了揮發(fā)性有機化合物（VOCs，即volative organic compounds）環(huán)境污染問題，（3）電導(dǎo)率高，電化學(xué)窗口大，可作為許多物質(zhì)電化學(xué)研究的電解液；（4）通過陰陽離子的設(shè)計可調(diào)節(jié)其對無機物、水、有機物及聚合物的溶解性，并且其酸度可調(diào)至超酸。（5）具有較大的極性可調(diào)控性，粘度低，密度大，可以形成二相或多相體系，適合作分離溶劑或構(gòu)成反應(yīng)分離耦合新體系；（6）對大量無機和有機物質(zhì)都表現(xiàn)處良好的溶解能力，且具有溶