離子液體的性質、合成及應用

殷保麗++郝夢洋

摘要：近年來，由于離子液體的新穎而又獨特的物理化學性質而備受關注，越來越多的科研工作者專攻離子液體領域。離子液體作為新型的綠色溶劑，為綠色工程工藝的開發，升級傳統的高耗能工業過程都起著至關重要的作用。本文主要討論離子液體的性質，合成方法，及其應用。

關鍵詞：離子液體，離子液體的合成，離子液體的應用

一、引言

自1992年以[BF4]、[PF6]為陰離子的第二代離子液體問世后，越來越多的科研工作者在這個領域做相關研究，與此同時，應用領域也從最初的電化學迅速擴展到高分子、萃取分離、生物質能源、材料、環境等諸多領域[1]。

二、離子液體的性質

（一）離子液體的物理化學性質。

1.離子液體的密度。

離子液體的密度易于調變，且受溫度、溶劑等的影響很小。大部分離子液體的密度都在1.1-1.6g/cm3范圍內，但吡咯鹽和胍鹽的密度在0.9-0.97g/cm3之間。這說明大部分離子液體在兩相應用更為廣泛（相比水）。通過前輩的研究可知，離子液體的密度受陰陽離子的類型影響較大，相比來說，陰離子較陽離子影響大。且通常來說，陰離子越大，離子液體的密度越大[2]，陽離子體積越大，離子液體的密度越小。

2.離子液體溶解性。

離子液體能夠溶解許多有機化合物以及高分子材料。離子液體這種好的溶解性和其結構中陰陽離子有著密不可分的關系。通常，離子液體的季銨陽離子側鏈越大，有機物在離子液體中的溶解度越大。

（二）離子液體的合成。

陰陽離子的不同組合可以設計合成出不同的離子液體，因此，離子液體種類繁多。現如今許多研究仍采用嘗試的方法尋求合適的離子液體，但這必然是艱難的。針對這個問題，相關學者通過收集大量的離子液體物性數據，建立離子液體數據庫[3]。這個數據庫一共9400條數據，其中有1886種離子液體，包含807種陽離子，185種陰離子。這種將離子液體的物性數據進行整理，使得尋找適合的離子液體非常容易。但是離子液體的制備仍舊是一個難題，經過長時間的探究，常用的合成方法有以下幾種：

1.常規合成法。

現在具有普適性的方法就是離子液體常規合成法中的一步法和兩步法[4]。

一步法：叔胺與鹵代烴類或酯類物質發生加成反應，或利用叔胺的堿性，通過酸堿中和原理生成目標離子液體。

兩步法：先通過鹵代烴與叔胺反應制備出季銨鹽；再通過置換反應用離子液體目標陰離子替換鹵素離子[7]。

但是這種方法也有缺點，通常需要在攪拌下加熱幾個或幾十個小時，長時間的加熱導致原料的損失較為嚴重，因此目標離子液體的產率較低。

2.外場強化法。

外場主要是微波和超聲波。微波法的基本原理是：在快速變化的電磁場中，極性分子由于不停地無規則運動引起分子碰撞、摩擦，因而產生大量的熱[5]。此種方法相對來說反應速率較快，一些反映只需要幾分鐘就可以完成。

超聲波法：超聲波主要借助超聲空化作用在液體內部形成局部的高溫高壓，并且超聲波在一定程度上起到了攪拌作用，因此反應速率很高[5]。

（三）離子液體的應用。

1.離子液體在電化學方面的應用。

離子液體具有良好的離子導電性，且離子液體可以避免以水為溶劑時存在的金屬和水反應等現象。由于離子液體作為電池的電解質時不需要高溫，因此目前常將離子液體應用于燃料電池、雙電層電容器、金屬的電沉積和鋰二次電池中等。

2.離子液體可以作為溶劑。

離子液體完全由離子組成，離子間的靜電作用相對較大，因此可以使工藝流程簡單，且使許多的可再生能源得到利用，節約資源。例如：傳統的溶解纖維素的方法為溶膠法，此種方法耗能大、成本高且過程繁瑣，經過研究表明，纖維素在氯代1-烯丙基-3-甲基咪唑離子液體中可以直接溶解，且溶解速率很高[6]。

3.離子液體在生物催化中的應用。

2000年，Cull[7]等經實驗證明以H2O-[bmim][PF6]為兩相為溶劑進行1，3–二氰基苯的水合反應，細胞聚集的現象很少，且反應完成后產率較高，兩相易于分離。雖然離子液體在生物催化領域的研究還不夠深入，但是離子液體比有機溶劑的選擇性強，我們可以看到離子液體的發展前景很好。

三、結論與展望

綜上所述，離子液體作為一種新型的環保型溶劑，在電化學、生物質催化等領域中起著至關重要的作用，同時為我們倡導的綠色化學提供了新的機遇，也為相應的科研工作者帶來了巨大的挑戰。相信隨著科技的進步，研究的深入，不久的將來會有越來越多的離子液體被發現和研究，而對于現已發現的離子液體的性質也會得到更為完整的研究、歸納。

參考文獻：

[1]張曉春，張鎖江，左勇，趙國英，張香平，離子液體的制備及應用[J]，化學進展，2010，22（7）：1499-1508.

[2]DZYUBA S V，BARTSCH R A，Influence of structural variations in 1-alkyl （aralkyl）-3-methy limidazolium hexafluo rophosphates and bis（trifluo rome thylsulfonyl） imides on physical properties of the ionic liquids[J]. Chem Phys Chem，2002，3（2）：161 -166.

[3]Zhang S， Sun N， He X， Lv X， Zhang X. Physical properties of ionic liquids： database and evaluation. J Phys Chem Ref Data， 2006， 35： 1475-1517.

[4]石家華，孫遜，楊春和等，離子液體研究進展[J]，化學通報，2002，4：243-250.

[5]張鎖江，呂興梅，劉志平等，離子液體—從基礎研究到工業應用[J]，北京：科學出版社，2006，150-157.

[6]程凌燕，朱天祥等，纖維素在離子液體中的溶解特性研究[J].合成纖維，2008，4：9-13.

[7]Cull S G， Holbrey J D， Vargas-Mora V， et al. Room Temperature Ionic Liquids as Replacements for Organic Solvents in Multiphase Bioprocess Operations[J]. Biotechnol. Bioeng.， 2000， 69（2）： 227–233.endprint