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离子液体的合成及应用

来源:中华纸业杂志 编辑:秩名 时间:2019-11-29
导读:离子液体是一种仅由离子组成的溶剂,它的构成为有机阳离子和有机或无机阴离子。当温度处于室温或接近室温的温度下时它的状态呈液态,所以也称为室温熔融盐。目前,离子液体因为具有导电率高、熔点低、热稳定性好、溶解性佳等优秀性能,在当前的研究中拥有广阔

离子液体是一种仅由离子组成的溶剂,它的构成为有机阳离子和有机或无机阴离子。当温度处于室温或接近室温的温度下时它的状态呈液态,所以也称为室温熔融盐。目前,离子液体因为具有导电率高、熔点低、热稳定性好、溶解性佳等优秀性能,在当前的研究中拥有广阔的前景,能在有机化学、电化学等领域进行应用。由于离子液体的结构可设计,通过不同的阴、阳离子构建不同结构形态的离子液体,可溶解各种有机和无机化合物及高分子材料等。本文综述了离子液体的类型、性质及合成方法,并阐述了其在有机化学、溶解纤维素、气体吸附及食品加工领域的应用。

1 离子液体的类型

离子液体的类型由其构成的阴、阳离子决定。构成离子液体的阳离子主要有以下四种类型:(Ⅰ)咪唑离子;(II)吡啶离子;(Ⅲ)季铵离子;(Ⅳ)季磷离子(分子结构如图1)。除了上述这些常见的阳离子外,还不断有如胍类离子、吗琳离子、吡唑离子、二吡啶离子等应用广泛、性能优异、成本较低或结构特殊的阳离子参与研究。

 

构成离子液体的阴离子主要有以下两种类型:一类是如Cl-、Br-、BF4-、PF6-、OTf-、OH-等呈中性或碱性的单核阴离子,它们的特点是合成后的离子液体不会和水或空气发生反应,性质比较稳定;另一类是多核阴离子,如Al3ClO-、Fe2C7-、Cu2Cl3-、Au2Cl7-等,这类离子虽然组成固定,但是生成的离子液体不稳定,在进行合成应用时需要真空或惰性气体保护。

2 离子液体的性质

2.1 熔点

离子液体的熔点作为离子液体的一个重要参数,在对离子液体的性质进行研究时起到了重要的作用,在0~150℃之间。

2.2 密度

在常温常压的状态下,大多数离子液体的密度大于水。

2.3 黏性

大部分的离子液体的黏度都比较高,与传统有机溶剂相比要高1~2个数量级,在常温下是水的几十甚至上百倍。

2.4 热稳定性

因为离子液体和其他溶剂相比拥有更宽的稳定液态温度范围,热稳定性更好。

2.5 导电性

大部分离子液具有较高的电导率,这一优点使其在电化学中得到了广泛的应用。

2.6 溶解性

离子液体拥有不同的溶解性能,因此离子液体溶解不同的物质如有机物、无机物、高分子材料和有机金属等,溶解能力强、范围广。

3 离子液体的合成

在离子液体的合成中,目标离子液体不同的组成和结构决定了要采用怎样的合成方法。

3.1 常规合成法

常规合成法作为目前最常用、最简便的合成方法,根据合成步骤的不同分为分为一步合成法和两步合成法。

3.2 新型合成法

新型合成法主要有微波、超声波辅助的有机合成方法以及微反应器法,新型合成方法凭借其反应速率快、反应时间短、消耗有机溶剂较少等优点受到了许多关注并在目前的合成中被广泛应用。

4 离子液体的应用

目前已经在各个领域进行了广泛的研究应用。

4.1 在催化和有机合成中的应用

在目前的研究中,有机化学反应一般都在有机溶剂中进行,离子液体作为一种新的反应溶剂,和传统溶剂相比提供了新的反应环境。

4.2 离子液体溶解纤维素

纤维素的功能化己经被广泛的研究,凡是通过传统溶剂溶解纤维素的过程会消耗大量有机溶剂,增加对环境的污染。但是在目前研究出的各种溶剂纤维素的新型溶剂体系中,只有NMMO体系在工业上得到了广泛应用,实现了工业化。

在溶解纤维素的方面,通过研究对其溶解能力有如下比较:咪唑型离子液体>吡啶型离子液体>季铵盐型离子液体;羧酸盐型离子液体>烷基磷酸盐型离子液体>卤离子型离子液体。Zavrel等对不同结构的离子液体溶解纤维素的能力展开了研究,研究发现溶解木屑能力最强的离子液体是AmimCl,溶解纤维素最有效的离子液体是EmimAc。这对植物纤维资源的高值化利用中分离纤维素提供了一条途径。

4.3 在气体吸附中的应用

由于大多数离子液体对气体具有优秀的溶解性和不易挥发性,许多研究发现可以利用离子液体对气体进行吸附。

4.4 在食品领域中的应用

目前,离子液体在食品领域有较为广泛的应用研究,2000年之后,国内外在此方面的研究成果逐年增加。

5 结语

离子液体凭借其优异的特性、物理化学性质相对稳定、可设计的结构性等优点,其应用日益广泛。在离子液体具有这些开发前景和广泛利用的同时,仍面临着许多问题:虽然离子液体具有众多的种类,但是目前的研究大多集中在吡啶、咪唑、季铵盐等阳离子的离子液体,对其他各种不同类型的离子液体还缺乏更加深入的研究;其次离子液体的合成成本高、对环境造成未知的影响使其在工业化的过程中面临一些的困难。离子液体合成与应用的主要方向是开发具有低成本高活性的新型离子液体和合成特定的功能性离子液体。

中华纸业传媒

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