题目：离子液体
学院：化学与材料工程学院
专业：无机功能材料
班级：无机121
学号：1510612130
姓名：张鹏程
时间：2014.4.13
摘要：
离子液体是近10年来在绿色化学的框架下发展起来的全新功能材料，具有不挥发、不可燃、液态范围宽、热稳定性好、溶解性好、物化性质可调等优点，已被作为催化剂、反应介质成功地应用于有机合成、电化学、分离提取及材料科学等领域。
研究开发新型离子液体并扩展其应用范围，具有重要意义。
近年来其应用领域不断扩大并迅猛发展，目前已从化学制备扩展到材料科学、环境科学、工程技术、分析测试等诸多领域，并迅速在各领域形成研究热点。
一：离子液体简介
1.离子液体的定义
离子液体是指全部由离子组成的液体，如高温下的KCI, KOH呈液体状态，此时它们就是离子液体。
在室温或室温附近温度下呈液态的由离子构成的物质，称为室温离子液体、室温熔融盐（室温离子液体常伴有氢键的存在，定义为室温熔融盐有点勉强）、有机离子液体等，目前尚无统一的名称，但倾向于简称离子液体。
2.离子液体的发展历史
离子液体的历史可以追溯到1914年，当时Walden报道了(EtNH2)+ HNO3-的合成(熔点12℃) 。
这种物质由浓硝酸和乙胺反应制得，但是，由于其在空气中很不稳定而极易发生爆炸，它的发现在当时并没有引起人们的兴趣，这是最早的离子液体。
1951年F.H.Hurley和T.P. Wiler首次合成了在环境温度下是液体状态的离子液体。
他们选择的阳离子是N-乙基吡啶，合成出的离子液体是溴化正乙基吡啶和氯化铝的混合物(氯化铝和溴化乙基吡啶摩尔比为1:2) 。
但这种离子液体的液体温度范围还是相对比较狭窄的，而且，氯化铝离子液体遇水会放出氯化氢，对皮肤有刺激作用。
直到1976年，美国Colorado州立大学的Robert利用AICl3/[N-EtPy]Cl作电解液，进行有机电化学研究时，发现这种室温离子液体是很好的电解液，能和有机物混溶，不含质子，电化学窗口较宽。
1992年Wilkes以1-甲基-3-乙基咪唑为阳离子合成出氯化1-甲基-3-乙基咪唑，在摩尔分数为50%的AICl3存在下，其熔点达到了8℃。
在这以后，离子液体的应用研究才真正得到广泛的开展。
3.离子液体的分类
正离子：烷基季铵离子、烷基季瞵离子、1, 3 -二烷基取代的咪唑离子、N - 烷基取代的吡啶离子；
负离子的不同可将离子液体分为两大类:一类是卤化盐。
其制备方法是将固体的卤化盐与AlCl3混合即可得液态的离子液体,但因放热量大,通常可交替将2种固体一点一点地加入已制好的同种离子液体中以利于散热。
此类离子液体被研究得较早,对以其为溶剂的化学反应研究也较多。
此类离子液体具有离子液体的许多优点,其缺点是对水极其敏感,要完全在真空或惰性气氛下进行处理和应用,质子和氧化物杂质的存在对在该类离子液体中进行的化学反应有决定性的影响。
另一类离子液体,也被称为新离子液体,是在1992年发现BF4的熔点为
12 ℃以来发展起来的。
这类离子液体不同于AlCl3离子液体,其组成是固定
的,而且其中许多品种对水、对空气稳定,因此近几年取得惊人进展。
其正离子多为烷基取代的咪唑离子 + ,如 + ,负离子多用BF4- 、PF6- ,也有CF3 SO3- 、(CF3 SO2 ) 2N- 、C3 F7 COO- 、C4 F9 SO3、CF3 COO- 、(CF3 SO2 ) 3 C- 、(C2 F5 SO2 ) 3 C- 、(C2 F5 SO2 ) 2N- 、SbF6- 、AsF6、为负离子的离子液体要注意防止爆炸(特别是干燥时)。
二：离子液体研究现状与前景
我国对离子液体的研究起步相对晚，2003年，在邓友全教授的带领下，中科院兰州物理研究所成功地使用离子液体作为催化体系，用二氧化碳取代剧毒的光气和一氧化碳等应用于异氰氰酸酯中间体的合成，2005年，我国中科院过程工程研究所自主开发成功了离子液体规模化制备清洁技术，解决了小规模制备原料成本高、合成过程复杂、溶剂和原料循环利用差、污染严重、转化率低等问题。
从理论上讲离子液体可能有1万亿种，化学家和生产企业可以从中选择适合自己工作需要的离子液体。
对离子液体的合成与应用研究主要集中在如何提高离子液体的稳定性,降低离子液体的生产成本，解决离子液体中高沸点有机物的分离以及开发既能用作催化反应溶剂，又能用作催化剂的离子液体新体系等领域。
随着人们对离子液体认识的不断深入，相信离子液体绿色溶剂的大规模工业应用指日可待，并给人类带来一个面貌全新的绿色化学高科技产业。
三：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。
1.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Friedel Crafts烷基化反应、酰基化反应、Diels Alder反应、Huck反应、偶联反应、Knoevenagel反应、Michael反应等也都取得了比在传统溶剂中更好的效果[10 11]。
如BmimPF6离子液体中进行的钌催化氢化反应,选择性可达到85%。
2.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。
3.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。
4.气体吸附的应用
由于离子液体的非挥发性和对气体特别是CO2的良好溶解性,使离子液体在CO2吸附方面的应用受到越来越多的关注。
自从1999年Nature中首次报道了CO2可以溶解于离子液体中,随后有大量工作致力于研究离子液体对CO2的吸附能力。
这些工作集中在咪哇类、毗睫类和季嶙类离子液体在不同的温度和压力下对CO2的吸附能力和机理研究。
这些离子液体包括以[PF6]-、[Tf2N]-、[TfO]-、[DCA]-、[BF4]、[NO3]-、[Me]-为阴离子,以1,3 二烷基咪唑、1,2,3 三取代咪唑、氟代烷基咪唑、磺酸基咪唑、烷基吡啶和季磷为阳离子的离子液体。
结果显示,这些离子液体在常温常压下对CO2的吸附能力为0 02molCO2/IL左右。
同时随压强增大,离子液体对CO2的吸附能力增大,而温度的改变对此影响较小。
不同阴离子的咪哇类离子液体吸附
能力变化的顺序为:[Me]->[Tf2N]->[TfO]->[PF6]->[BF4]->[DCA]->[NO3]-,而阳离子的改变如改变咪唑环上的取代基或在2位上引入烷基对吸附能力的影响都很小。
5.分离纯化方面的应用
由于离子液体是离子态的物质、挥发性很低、不易燃、对热稳定,这就保证了它对环境没有以往挥发性有机溶剂所无法避免的污染。
正因为如此,它被称为是一种绿色溶剂,可以被用来替代原有的有机溶剂作为反应和分离介质来开发清洁工艺。
由于环境的压力在逐渐加大,对室温离子液体的研究开发也逐渐得到更多的重视。
四：结语
离子液体优异与独特的特性使其应用日益渗透到各个领域,具有广阔的前途,蕴涵着巨大的开发前景。
但实现工业化的过程仍屈指可数。
一个潜在的问题是很多从事反应和反应工程研究的科学家对离子液体还不熟悉,在这方面,离子液体研究者与反应研究方面的专家相结合是必不可少的。
其次,深入揭示离子液体特异性质的物理化学本质,也是今后离子液体研究中需要解决的问题。