季銨鹽離子液體

季銨鹽離子液體第1頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月1.離子液體概述2.季銨鹽離子液體的合成3.季銨鹽離子液體的應(yīng)用4.結(jié)語第2頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月1.離子液體概述1.1離子液體概念

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。一般是由有機(jī)陽離子和無機(jī)陰離子組成。離子液體由于具有較寬的液態(tài)溫度范圍、良好的物理和化學(xué)穩(wěn)定性、良好的溶解能力、較大的極性可調(diào)控性以及近似于零毒性等優(yōu)越特性，因而具有廣闊的應(yīng)用前景。第3頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2.離子液體的分類

目前所研究的離子液體均是由陰陽離子共同組合而成的液態(tài)介質(zhì)，其具體分類也可以按照陰陽離子的不同進(jìn)行劃分。根據(jù)組成離子液體的陽離子不同可以劃分為四類，見表1;根據(jù)組成離子液體陰離子的不同可以分為兩類，見表2.第4頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月第5頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月第6頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3季銨鹽離子液體季銨鹽又稱四級銨鹽，是銨離子中的四個(gè)氫原子都被烴基取代而生成的化合物，通式為R4NX,其中四個(gè)烴基R可以相同也可以不同。X多是鹵素負(fù)離子（F-、Cl-、Br-、I-），也可以是酸根（如HSO4-、RCOO-等）。季銨鹽與無機(jī)鹽性質(zhì)相似，易溶于水，水溶液能導(dǎo)電。第7頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月

含氮的季銨鹽離子液體主要有三類:（1）季銨離子[NRxH4-x]+；（2）咪唑離子及其衍生物[R1R2im]+或[R1R2R3im]+；（3）吡啶離子及其衍生物[RPy]+；第8頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月與季銨鹽類陽離子復(fù)合的陰離子主要有兩大類，一類是鹵化鹽，如AlCl3、AlBr3；一類是非鹵化鹽，如BF4-、PF6-，也有CF3COO-、C3F7COO-、CF3SO3-等。第9頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月2.季銨鹽離子液體的合成2.1傳統(tǒng)合成方法2.1.1一步合成法一步合成法就是通過酸堿中和反應(yīng)或季銨化反應(yīng)一步合成離子液體，合成過程中無需加任何溶劑作為反應(yīng)介質(zhì)，對親水性離子液體的分離提純需用有機(jī)溶劑，且有機(jī)溶劑較易回收循環(huán)使用；對疏水性離子液體的分離提純可以用水作溶劑。

第10頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1.2兩步合成法對于一步合成法難以制得的離子液體，可以使用兩步合成法。首先通過季銨化反應(yīng)制備出含目標(biāo)陽離子的鹵鹽，然后用目標(biāo)陰離子置換鹵離子或加入路易斯酸與之反應(yīng)得到目標(biāo)離子液體。反應(yīng)如下圖所示：第11頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月第12頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月

在第二步反應(yīng)中，使用金屬鹽MY（常用的是AgY或NH4Y）時(shí)，產(chǎn)生AgX沉淀或NH3、HX氣體而容易除去；加入強(qiáng)質(zhì)子酸HY，反映要求在低溫?cái)嚢钘l件下進(jìn)行，然后多次水洗至中性。用有機(jī)溶劑提取離子液體，最后真空除去有機(jī)溶劑得到純凈的離子液體。第13頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月應(yīng)特別注意的是在用目標(biāo)陰離子Y-交換X-陰離子的過程中，必須盡可能地使反應(yīng)進(jìn)行完全，確保沒有X-陰離子留在目標(biāo)離子液體中,因?yàn)殡x子液體的純度對于其應(yīng)用和物理化學(xué)特性有至關(guān)重要的作用。通常高純度離子液體的合成可以在離子交換器中，利用離子交換樹脂通過陰離子交換來制備。第14頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2新型合成方法2.2.1超聲波輔助合成法超聲波技術(shù)是指利用頻率比人耳所能聽到的頻率范圍更高(>18kHz)的聲波作為對象的生化學(xué)方法，超聲波能減小懸浮于液體中粒子的尺寸，提高異相反映的速率。超聲波輻射法具有操作簡單、反應(yīng)時(shí)間短、條件溫和、副反應(yīng)少、產(chǎn)率高等優(yōu)點(diǎn)。第15頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月例如氯代1-丁基-3-甲基咪唑離子液([bmim]Cl)與NH4CF3SO3，NH4BF4，NH4PF6等鹽的離子交換反應(yīng)，相比于磁力攪拌所需要的5～8h,超聲波作用只需1h,反應(yīng)如下圖：第16頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2.2微波輔助合成法微波是一種強(qiáng)電磁波，在微波照射下能產(chǎn)生熱力學(xué)方法得不到的高能態(tài)原子、分子和離子，可以迅速增加反應(yīng)體系中自由基或碳陽離子的濃度。從能量角度分析，只要能瞬間提高反應(yīng)物分子的能量，使體系中活化分子數(shù)增加，就有可能增加反應(yīng)速率，縮短反應(yīng)時(shí)間。第17頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月3.季銨鹽離子液體的應(yīng)用3.1在有機(jī)合成反應(yīng)中的應(yīng)用

季銨鹽離子液體在Friedel—Crafts烷基化反應(yīng){該反應(yīng)是芳烴與鹵代烴、醇類或烯烴類化合物在Lewis催化劑(如AlCl3、FeCl3、BF3、HF等)存在下，發(fā)生芳環(huán)取代的反應(yīng)}、Heck反應(yīng)(是在烯烴和鹵代芳烴或芳香酐在催化劑的作用下生成芳香烯烴的反應(yīng))、酯化反應(yīng)、氧化反應(yīng)以及聚合反應(yīng)等有機(jī)合成反應(yīng)中都有應(yīng)用。第18頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2在電化學(xué)方面的應(yīng)用以吡啶陽離子為基礎(chǔ)的1,2-二甲基-4-氟吡啶-四氟硼酸季銨鹽離子液體作為鋰離子電池的電解液，熱穩(wěn)定溫度在300℃，并在很寬的溫度范圍內(nèi)和鋰穩(wěn)定共存，其電化學(xué)窗口約4.1V,氧化電位大于5V。實(shí)驗(yàn)表明，以此離子液體為電解液裝配的LiMn2O4/Li電池，顯示了大于96%的可逆性。第19頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3在萃取分離中的應(yīng)用

離子液體具有其獨(dú)特的理化性能，非常適合作為分離提純的溶劑。其在萃取分離上的應(yīng)用又可分為三方面，即液-液、液-固、固-固萃取分離。劉慶芬等人以親水性離子液體1-丁基-2-甲基咪唑四氟硼酸鹽和NaH2PO4·2H2O水溶液形成的雙水相體系為研究對象，考察了影響雙水相形成的因素以及青霉素的萃取特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：第20頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月

離子液體雙水相可以有效萃取青霉素，輕相中青霉素萃取率達(dá)93.7%。萃取率受成相鹽濃度、初始青霉素濃度以及離子液體濃度的影響萃取的最佳參數(shù)NaH2PO4·2H2O的濃度為36-38%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))、青霉素濃度30mg·mL-1、離子液體40-45%(體積分?jǐn)?shù))。第21頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月3.4在其他方面的應(yīng)用

離子液體的濕潤能力和粘度可使其成為氣相色譜理想的固定液。作為氣相色譜的固定相,離子液體表現(xiàn)出了雙重性質(zhì)，當(dāng)分離的樣品是中性或非極性時(shí)，離子液體的行為類似非極性固定相，保留因子小，但選擇性好；當(dāng)分離的樣品是極性分子時(shí)，表現(xiàn)出強(qiáng)極性固定相，使樣品在色譜柱上保留時(shí)間長。離子液體作為液相色譜流動(dòng)相添加劑，能顯著提高液相色譜的分離效果。第22頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月

除此之外，離子液體所具備的獨(dú)有特性決定了它不應(yīng)該拘泥于綠色溶劑方面的應(yīng)用，它同時(shí)在新材料開發(fā)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，如借助離子液體很高的熱容量，將其用于吸熱介質(zhì)以促進(jìn)太陽能的轉(zhuǎn)化；增強(qiáng)薄膜的導(dǎo)電性；用于燃料電池的開發(fā),作為熱傳導(dǎo)流體，用于燃煤發(fā)電過程的脫硫；以及作為電化學(xué)介質(zhì)或酶的反應(yīng)介質(zhì)等。第23頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月4.結(jié)語季銨鹽離子液體作為一種新型的環(huán)保溶劑，為綠色化學(xué)增添了新的內(nèi)容，為天然生物大分子的加工和利用提供了新的機(jī)遇，為催化領(lǐng)域提出了新的挑戰(zhàn)。隨著當(dāng)代高新技術(shù)的蓬勃發(fā)展，離子液體必將在新材料的開發(fā)利用領(lǐng)域形成更多的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。然而季銨鹽離子液體畢竟是一類“新化學(xué)品”，其基礎(chǔ)理論和實(shí)驗(yàn)研究尚不夠充分和深人。關(guān)于離子液體環(huán)境、安全和健康方面的評價(jià)和研究較為缺乏。離子液體的生產(chǎn)成本高，也