离子液体在催化反应和萃取分离中的研究和应用进展

综述与专论

离子液体在催化反应和萃取分离中的

研究和应用进展

顾彦龙 石 峰 邓友全

(中国科学院兰州化学物理研究所生态与绿色化学中心,甘肃兰州730000)

摘 要 离子液体研究已从/绿色0化学化工快速扩展到功能材料、能源、资源环境以及生命科学等领域,典型地体现了科学技术发展中的多学科交叉与综合.本文就离子液体在催化反应和萃取分离中的研究进展进行初步的总结与评述,以期为以后的研究工作提供参考.关键词 离子液体 催化 分离分析 绿色化学中图分类号 T Q 03117 文献标识码 A

文章编号 0438-1157(2004)12-1957-07

RESEARCH AN D A PPL ICA T ION OF ION IC LIQ U IDS

IN CAT ALY SIS A ND SEPARAT ION

GU Yanlong,SH I Feng and DENG Youquan

(Centr e f or Gr een Chemistry and Catalysis,L anz hou I nstitute of Chemical Phy sics ,

Chinese A cademy of Sciences ,L anz hou 730000,Gansu ,China)

Abstract The study of room temperature ionic liquids has been rapidly expanded into functional materials,energy,env ironmental protection and life sciences from green chemistry and chemical engineering,w hich typically demonstrates the interaction and integ ration of multiple disciplines in the development of science and technology.In this paper,the recent research and application of the room temperature ionic liquid in catalysis and separation are summarized and discussed to provide reference for future w ork.Keywords ionic liquid,catalysis,separation and analysis,green chemistry

2004-09-08收到初稿,2004-11-01收到修改稿.

联系人:邓友全.第一作者:顾彦龙,男,27岁,博士研究生.

基金项目:国家自然科学基金资助项目(No 120225309).

引 言

近年来,人们从生存和发展的经验教训中进一步认识到环境保护和可持续发展的重要性,实施从源头控制污染和清洁生产战略已形成了世界性的共识.在日趋激烈的化工市场中,对环境保护方面的严格要求促使化学化工与催化研究的重点也转向开发绿色和清洁技术以及环境友好催化体系等方向上来.而综合考察某一生产过程是否绿色化和清洁化

的标准包括反应物料的选择、催化体系的设计、废弃物的排放、能源利用的合理性以及产品绿色度等多个方面.严格的绿色化标准迫使人们去打破传统,寻找一种更理想的生产途径.在这方面,离子液体应运而生,正发挥着独特的作用.

Received date:2004-09-08.

Corresponding author:Prof.DE NG Youquan.E -mail:ydeng @ns 1lzb 1ac 1cn

Foundation item:supported by the National Natural Sci ence Foun -dation of China (No 120225309).

离子液体是完全由特定阳离子和阴离子构成的在室温或近于室温下呈液态的物质.与固态物质相比较,它是液态的;与传统的液态物质相比较,它是离子的.因而,与其他固体或液体材料相比,离

第55卷 第12期 化 工 学 报 Vo l 155 l 12 2004年12月 Journal of Chemical Industr y and Engineer ing (China) December 2004

子液体往往展现出独特的物理化学性质及特有的功能,是一类值得研究发展的新型的/软0功能材料(soft materials)或介质

[1]

.20世纪80年代中期,

英国和法国的研究机构开始系统地探索离子液体作为/绿色0介质与催化剂的可能性,标志着离子液体系统研究的开始

[2]

.近来,对离子液体的研究

非常活跃,西方国家政府与有关企业均投入大量资金支持离子液体的研究.据统计,发表在国外学术期刊有关离子液体研究论文的速度,从10年前的每年约10篇达到现在的每周10篇,相关重要的国际学术会议和专著频繁举行和出版.并且,由于离子液体的可设计性,即调整阴、阳离子组合或嫁接适当的官能团,可获得/需求特定0(task -specific)或/量体裁衣0(tailor -making )的离子液体,并在分离纯化、核废料的回收、特种光学材料领域显示出良好的应用前景[3].离子液体与现有的超临界流体、电化学、微电子等的结合,使得原有这些技术的发展空间进一步加大且功能更趋完善.离子液体研究已从发展/绿色0化学化工领域,快速扩展到功能材料,如电光与光电材料、润滑材料;能源,如太阳能储存、太阳能电池关键材料;资源环境,如天然气净化、木质素的降解;生命科学,如澳大利亚的研究人员发现离子液体可以极大地提高人造肌肉的功能等,典型地体现了多学科交叉与综合在科学技术发展中的作用.本文将初步介绍离子液体在催化反应和萃取分离中的研究进展.

1 离子液体在绿色催化和清洁合成中

的应用

有机溶剂,特别是挥发性有机化合物(VOCs)在催化反应和有机合成过程中的大量应用,被认为是造成目前环境污染的一个重要原因.因而,开发新的、环境友好的绿色溶剂成为一个普遍关注的问题.离子液体在室温下呈液态,能够很好地溶解多种化合物;多数离子液体在零下几十度到200e 能够保持液体状态(相比之下,水为0~100e ),这意味着反应可以有宽的热力学和动力学控制区间,也为一些反应温度过高而不能在有机溶剂中进行的反应提供了良好的反应介质.同有机溶剂或水相比,离子液体几乎没有蒸气压,这就意味着在蒸馏和萃取分离等过程中,不会因为蒸发而造成离子液

体的损失,同时离子液体还兼有/固载0催化剂的

功能,可以简化反应体系.作者所在课题组将Cu (Ñ)盐催化剂固载到甲基丁基咪唑苯磺酸盐离子液体中,在较低压力下实现了二氧化碳和高位阻三级炔醇的成环反应,反应后沸点超过200e 的产物都可以通过减压蒸馏近乎完全地得到,离子液体和催化剂可以继续使用[4].这是利用离子液体/零0蒸气压和固载催化剂功能的典型实例之一.作者所在课题组在离子液体中实现的高效环己酮肟重排制己内酰胺催化反应过程有望克服目前固体酸催化剂易失活、频繁再生问题,为取代硫酸实现Beck -mann 重排过程的绿色化开辟一条潜在的新途径[5].

离子液体的大部分物理化学性质如溶解特性都可以在一定范围内进行调节,为更好地控制反应过程和设计反应以及方便产物分离提供了条件.例如,何鸣元等[6]利用酸性离子液体[HM Im]BF 4(甲基咪唑氟硼酸离子液体)催化酸醇酯化反应时,得到的羧酸酯由于与离子液体不混溶而简化了分离操作;利用离子液体选择溶解的特性,德国BASF 公司于2002年成功开发了制备烷氧基苯基膦的BASIL (biphasic acid scavenging utilizing ionic liq -uids)工艺.它主要是利用N -甲基咪唑作为酸性物质(HCl)的捕获剂,得到熔点为75e 的[HM Im]Cl(氯化1-甲基-3-氢咪唑盐,操作温度下为液体).所产生的这种离子液体同产物不混溶而分层,便于产物的分离.目前该工艺已经达到数吨级生产规模(见图1),这也是目前为止离子液体实现规模化应用的惟一实例[7].

Fig 11 Equipment for preparation of alkoxyl phenyl phosphine of BASI L [8]

在有些反应中,离子液体中强的静电场可以稳定中间态化合物,更平稳地而且高选择性地实现化

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1958#化 工 学 报 2004年12月