离子液体

一、离子液体离子液体就是在温室（或稍高于温室的温度）下呈液态的离子系统，或者说，离子液体是仅由离子所组成的液体[27]。

在组成上，它与我们概念中的“盐”相近，而其熔点通长又低于温室，所以，也有人把离子液体叫做温室离子液体、液态有机盐等[28]。

离子液体与传统的有机溶剂、水、相比具有许多优良的性能[29]：良好的溶解性；2具有较高的离子传导性；3较高的热稳定性；4较宽的液态温度范围；5较高的极性、溶剂化性能；6几乎不挥发、不氧化、不燃烧；7对水、对空气均稳定；8易回收，可循环使用等。

（材料）【离子液体( ion ic liqu ids) , 又称室温离子液体( room or amb ient temperature ionic liquids) 或室温熔融盐, 也称非水离子液体, 有机离子液体等。

离子液体是指没有电中心分子且100% 由阴离子和阳离子组成, 室温下为液体的物质。

它是由一种含氮或磷杂环的有机阳离子和一种无机阴离子组成的盐, 在室温或室温附近温度下呈液态。

本身具有优异的化学和热力学稳定性, 有较宽的温度范围, 对有机及无机化合物有很好的溶解性, 室温下几乎没有蒸汽压, 可用于高真空条件下的反应, 具有良好的导电性, 较高的离子迁移和扩散速度, 不燃烧,无味, 是一种强极性、低配位能力的溶剂。

与传统的工业有机溶剂相比, 由于其几乎不可测出的蒸汽压、不挥发、无污染, 故也称之为绿色溶剂。

目前, 离子液体已引起了世界各国科学家的广泛重视。

】（百度）二、离子液体的结构离子液体是由有机阳离子和无机阴离子组成的盐离子间的静电引力较弱因而具有较小的晶格能在常温下呈现液态离子液体的种类很多，当前研究的离子液体的正离子有四类：烷基季铵离子、烷基季鏻离子、1,3-二烷取代的咪唑离子、N-烷基取代的吡啶离子[30-31]。

（材料）【当前研究的离子液体的正离子有4类[ 3] : 咪唑离子, 吡啶离子, 烷基季铵离子, 烷基季鏻离子。

1, 3二烷基取代的咪唑离子或称从N, N二烷基取代的咪唑离子, 简记为[ R1R3 im ]+, 若2位上还有取代基R2, 则简记为[ R1R2R3 im] + ; N烷基取代的吡啶离子记为[ RPy ]+; 烷基季铵离子,[ NRxH4- x ] + ; 烷基季鏻离子[ PRxH4- x ] + 。

除上述四类常见常用的离子液体外, 还不断有性能、应用、结构特殊或成本较低的离子液体被合成和研究。

一些新型阳离子的出现, 如胍类、吗啉、己内酰胺、二吡啶、哌啶、三唑、吡唑、噻42康永离子液体的特性及其应用唑、异喹啉等, 更加丰富了离子液体的种类; 手性离子液体的合成将为离子液体的发展提供新的活力, 也必将在手性合成与分。

离中占有重要的地位。

另外还有多聚阳离子的离子液体。

】（百度）三、离子液体的性质（一）熔点评价离子液体的一个关键参数就是其熔点, 因此研究离子液体的组成与熔点的关系将非常有意义。

在多种离子液体中, 咪唑盐熔点较其它同碳数的铵盐要低。

咪唑盐阳离子的大小、对称性及不同碳级数的取代基以及取代基链长的改变都会影响离子液体的熔点。

离子液体的熔点与其化学结构间的关系目前还未找到明确的规律, 但已经积累了一些经验[ 1 ] :( 1) 含对称的阳离子如[ mm im] (二甲基咪唑)、[ eeim ] (二乙基咪唑) 的离子液体比不含对称性的阳离子如[ em im] ( 1乙基3甲基咪唑) 的离子液体有相对较高的熔点; ( 2) 负离子为CF3COO的离子液体有相对较低的熔点; ( 3) 在咪唑环的2位上的C 原子引入甲基如[ emm im ] ( 1乙基2,3二甲基咪唑) , 使熔点升高; ( 4) 负离子体积减小, 熔点上升, 如[ em im ] NO3 熔点311K,[ em im ] NO2 熔点328K, [ em im ] HF2 熔点324K;( 5) 一些离子液体没有结晶温度, 但有玻璃化温度。

一般来说, 低熔点离子液体的阳离子具备下述特征: 对称性低、分子间作用力弱、阳离子电荷分布均匀和电荷密度低。

（二）玻璃态转变温度有许多离子液体特别是咪噢类离子液体并不存在熔点, 只有玻璃态转变温度。

当从平衡的液态冷却到低温时, 这类离子液体没有结晶出现, 而是呈介稳的超冷液态, 也称为玻璃态。

在DSC 测试过程上, 热流曲线出现S形的变化是离子液体存在玻璃态转变的标志。

这一S形的变化是从过冷的液态冷却到玻璃态, 或从玻璃态加热到介稳的过冷液体时, 离子液体热容改变( Cp) 引起的[ 2] 。

（三）粘度粘度也是离子液体的一个重要性质。

离子液体的粘度主要由氢键和范德华引力决定, 氢键的影响非常明显。

常温下其粘度较大(是水的几十倍)。

其粘度随着温度的升高而降低, 离子液体的粘度比传统溶剂高1~ 3个数量级, 这成为离子液体应用的一个不利因素。

因此, 研究影响粘度的因素, 从而最大限度地减小离子液体的粘度, 对研究离子液体实际应用可行性有着重大意义。

对所有离子液体来说, 升高温度或加入少量杂质如水、卤素离子可以极大地减小粘度[ 3] 。

（四）电化学性质离子液体的导电性和稳定电化学窗口是其电化学应用的基础。

影响离子液体电导率的主要因素有: 离子液体的分子量、粘度、电荷密度和离子尺寸[ 3] 。

一般来说, 组成离子液体的阴阳离子, 其分子量、离子尺寸和粘度越小电荷密度越大, 则离子液体的导电性越好。

另外, 在阴离子相同的情况下, 阳离子越趋于平面化, 其离子传导率越高[ 4 ] 。

（五）热稳定性热稳定性是评价离子液体的性质及其应用价值的一个重要判据和基础。

大多数离子液体的热稳定性都较好, 可以作为高温反应的反应介质而取代传统的有机溶剂。

在阴离子相同的情况下, 离子液体的热稳定性与阳离子的电荷密度、酸质子有关。

（六）溶解性与其它溶剂相比, 其内部存在相当大的库仑力, 因此, 离子液体即使在较高的温度和真空度下也会保持相当低的蒸汽压力, 也正是这种库仑力使其具有很强的极性且对多种有机、无机以及聚合材料有特殊的溶解能力。

室温离子液体具有极低的蒸气压和极佳的溶解性, 因此可用于萃取和反应介质, 通常的萃取操作采用有机溶剂和水作为两相,而采用室温离子液体替代有机溶剂进行液液萃取得到相当不错的结果。

它溶解范围广、溶解能力强, 并且由于其结构不同, 与不同溶剂的相溶性也不同, 具有高溶解性与弱配位性或非配位性, 是许多有机、无机物的优良溶剂, 可溶解许多无机、有机、有机金属、高分子材料, 且溶解度相对较大。

离子液体是非质子溶剂, 可以减小溶剂化现象, 而且由于具备较强的离子环境, 可以延长许多物质的寿命。

（七）酸碱性和催化性能含氯代铝酸盐的室温离子液体表现出路易斯酸碱化学行为, C l- 是路易斯碱; A lC l3 是路易斯酸。

离子液体的酸碱性实际上由阴离子的本性决定。

离子液体可以溶解范围宽广的有机、无机及金属有机化合物, 因而可溶解多数催化剂, 离子液体将催化剂固定(有时需加入一些配体) 在离子液体溶液中,易于与化学反应的产物分离, 催化剂与离子液体一起循环使用, 有时既可作为溶剂又可作为催化剂;对气体如H2、CO2、O2 等有较好的溶解度, 因而适于作为氢化、酸化、氢甲酰化、空气氧化等催化反应的溶剂; A lC l3 型离子液体是不挥发的超强酸,可以在有些酸催化反应中取代危险酸如HF。

离子液体为化学反应提供了一批新的介质, 有可能使原先不能进行化学反应的能够进行, 或者能使催化剂的活性及选择性提高。

以离子液体作为化学反应的介质, 可以避免因使用有机溶剂而造成对环境的污染。

（八）密度在阳离子相同的离子液体中, 其密度主要取决于阴离子的体积和配位能力, 由体积庞大的且配位能力弱的阴离子构成时密度相对较高。

如: 氯铝酸咪唑盐中, 在阳离子相同的情况下, 其密度随着氯化铝摩尔数的增加而增大。

而在阴离子相同的RT ILs中, 其密度主要取决于阳离子上烷基链的长短。

例如: 在咪唑六氟磷酸盐离子液体中, 其密度随着阳离子烷基链长的增加而呈下降的趋势。

目前, 所研究的离子液体在室温下密度约为1.1-1.6g / cm3。

四、离子液体的应用离子液体的一系列优良的性质使其在诸多领域得到广泛应用。

高的热稳定性、宽的液态温度范围、可调的酸碱性、极性、配位能力及对有机物、无机物、聚合物、气体等的溶解性使离子液体成为催化反应和有机合成的优良反应介质和催化剂; 宽的电化学稳定窗口和高的离子导电性, 使离子液体成为电化学应用中性质优良的电解质和电化学合成的介质; 可调的极性和溶解性使离子液体在金属分离、蛋白质提纯、气体吸附领域也显示出独特的优势; 较低的界面能、界面张力以及良好的溶解性,使离子液体在纳米材料合成领域也得到广泛的应用。

我们将对离子液体在气体吸附、纳米材料合成、电化学和有机合成领域应用的研究现状作一简单的介绍。

（一）有机合成和催化领域的应用离子液体具有很宽的稳定液态范围、不易挥发、可调的酸碱性、极性和配位能力以及对无机和有机物很好的溶解性, 使离子液体在催化和有机合成领域逐渐取代传统使用的有毒和易挥发的有机溶剂。

离子液体作为一种高效清洁和循环使用的溶剂和催化剂在有机反应中的应用己经成为有机合成和催化领域研究的热点, 并且在多种类型的有机反应中都取得了极好的效果。

烯烃的环氧化和二醇化, 醇、芳香烃、烷烃的氧化及酮氧化合成酷的反应都在离子液体体系中取得了很好的效果。

离子液体中进行过渡金属催化氢化的反应已经成功地应用到拨基化合物、烯烃的加氢还原反应。

在离子液体中进行的Fr iedel C rafts烷基化反应、酰基化反应、D iels A lder 反应、Huck反应、偶联反应、Knoevenage l反应、M ichae l反应等也都取得了比在传统溶剂中更好的效果[ 1011] 。

如Bm imPF6 离子液体中进行的钌催化氢化反应, 选择性可达到85% 。

（二）电化学应用离子液体由于具有较高的导电率、较宽的稳定电化学窗口、极低的蒸气压, 同时对水溶液和有机电解质体系难溶的有机或无机化合物有很好的溶解性, 因此作为电解质和溶剂在电化学领域得到广泛的应用。

目前有大量关于离子液体在电化学沉积、电化学合成、燃料电池和电化学器件中应用的研究报道[ 12] 。

（三）材料化学的应用离子液体在材料合成中的应用在近几年也得到了迅速的发展。

其优势主要体现在以下几个方面:离子液体的蒸气压非常低, 因此作为反应的介质,可使反应在常压下进行; 离子液体对许多有机物、无机物甚至高聚物都有较好的溶解性, 为纳米材料的合成提供良好的反应介质; 离子液体的界面张力小, 物质在离子液体中的成核速度非常快, 因而可以得到极细小的物质颗粒; 离子液体的界面能小以及容易形成氢键的性质, 可以形成一定的有序结构, 为材料的有序性提供模板作用; 离子液体优良的电化学性质和吸收微波的能力, 使其在电化学沉积金属纳米材料和利用微波技术合成纳米材料方面表现出极大的优势[ 13] 。