綠色溶劑離子液體在材料和有機合成中的研究

劉 銘，張依蒙，田 鵬*，戰瀟藝，段紀東

(1.沈陽師范大學 化學化工學院 能源與環境催化研究所，遼寧 沈陽 110034；2.沈陽師范大學 實驗中心，遼寧 沈陽 110034)

作為一種新型溶劑，離子液體具有很多優良的物理性質和化學性質，例如通常情況下離子液體不易揮發、無蒸汽壓，而且具有較寬的電化學窗口，同時具有較高的離子導電率和較好的物質溶解性及萃取能力等等[1-2]。由于具有這些優異性質，世界范圍內正熱烈開展關于離子液體在化學化工應用方面的研究，并且發展得十分迅速[3]。離子液體是指全部由陰離子和陽離子組成的液體，在室溫或室溫附近溫度下呈液態的由離子構成的物質，稱為室溫離子液體[4]。離子液體因與人們概念中的“鹽”相近，而通常情況下其熔點又低于100℃，故也將其稱為“室溫熔融鹽”。作為離子化合物，分析離子液體的結構發現其中存在具有不對稱性的取代基，導致離子不能規則地堆積成晶體，這也就使得離子液體熔點較低[5]。

1 離子液體在材料方面的應用

1.1 離子液體的固載化和納米化

在催化反應體系中，合適配合物的使用可以使離子液體和催化劑更加緊密地結合在一起，使反應更加高效的進行，達到離子液體的固載化。如何提高離子液體的利用率、有效分離和回收是離子液體的固載化過程中人們普遍關注的問題。解決這一問題可將離子液體包于納米孔中，形成穩定的離子液體，同時可以調整孔和離子液體的大小，達到牢固擔載的目的[6]。這樣一來便可以有效提高離子液體的催化性能，也可以更有效的進行回收和分離。

1.2 離子液體作為敏感材料

離子液體可以充當敏感材料來檢測有機揮發物，其原理是，當有少量有機物溶解在離子液體中時，其黏度會大大降低[7]，離子液體的這一特點已經被應用到石英晶體微量天平中，用以取代以往固態的有機或無機涂層，效果頗為顯著。利用離子液體溶解有機物質比普通溶劑具有更快的速率這一特點，在檢測物質時，響應時間被大大縮短了。

1.3 離子液體作為潤滑材料

在高溫、低溫或者真空等比較嚴苛條件下，潤滑劑可能會出現氧化分解或揮發等問題[8]，離子液體由于具有極小的蒸汽壓，較好的熱穩定性和較寬的液體范圍，作為潤滑材料對于解決這些問題具有較為突出的價值，因此在航空航天領域貢獻顯著。

1.4 離子液體作為儲能材料

太陽能的收集和存儲問題長期以來困擾著能源工業者。高溫熔鹽作為特殊條件下的存儲介質[9]，很難得到廣泛應用，原因在于其熔點太高。離子液體兼有密度高、熔點低、熱容量高、穩定性較好等優異特性，使其在能量存儲和傳輸中，擔任一種良好的介質。

2 離子液體在有機合成中的應用

在有機合成反應中，由于大部分傳統有機溶劑存在毒性和揮發性，使得環境受到較為嚴重的污染，同時使人類的生存受到威脅。離子液體在有機化工合成中受到越來越多的重視，原因在于其較低的蒸汽壓和幾近于零的揮發性，安全無污染，使其作為溶劑和催化劑，在工業中得到廣泛應用[10]。

2.1 離子液體在二氧化碳固定-轉化方面的應用

二氧化碳在空氣中的比例為0.03%，它是植物光合作用的原料。然而近些年來，由于燃料的大量燃燒、汽車尾氣的排放以及大量植被的砍伐，導致空氣中二氧化碳的含量一直在升高。二氧化碳的增多，將導致溫室效應，導致溫度升高。因此有關二氧化碳的固定也成為了眾人矚目的話題。科學研究表明，離子液體對二氧化碳有溶解力。離子液體因為其優良的物理性質，解決了用傳統溶劑吸收二氧化碳卻可能帶來新的污染這一弊端。

2.2 離子液體開始在聚合反應中慢慢興起

雖然離子液體在聚合反應中的應用只是剛剛開始起步，但是由于離子液體的優良特性，解決了傳統溶劑在聚合反應中的污染環境的重大問題。因為傳統的聚合反應工藝存在污染的重大問題，所以離子液體的加入為聚合反應注入新的希望。離子液體也解決了因傳統溶劑的催化劑殘留而造成產品部純的問題。雖然離子液體在聚合反應中只是剛剛開始研究應用，但是其所表現出來的巨大的優勢將使生化科學家和各個企業家對其特別關注，離子液體在聚合反應中的應用必然會開辟聚合反應領域的新篇章。

2.3 離子液體在生物催化反應中的的應用

生物催化是近代生化科學發展的領先領域。因為生物催化主要是生物催化酶的作用。而酶的反應需要很多條件的制約：反應需要溫和的反應溫度、酸堿度，純凈的環境等等。由于酶的反應對環境要求苛刻，所以傳統溶劑很難滿足要求，容易造成污染，影響酶的活性。而離子液體具有很多優良的物理性質，非揮發性，無毒、無污染，這就使得離子液體在生物催化領域得到了很好的發展。

2.4 離子液體在均相絡合催化反應中的應用

在過渡金屬絡合催化反應中，通常陰離子自身的大小和電荷很大程度上決定了陰離子的配位特性，影響其配位特性的因素還有中心金屬的酸(硬)度、周圍存在的配體及氧化態。過渡金屬配合物在離子液體中的可溶性成分，通常取決于離子液體的分子結構的金屬離子和配體和溶劑的性質。早在1972年，Parshall等報道了首個離子液體為介質的過渡金屬催化反應，離子液體用于均相絡合催化反應興起于1990年Chauvin等實現了離子液體中的鎳催化丙烯二聚反應。把水和廉價易得的溶劑與離子液體結合并用于過渡金屬絡合催化，將為“綠色”化學的發展做出獨特的貢獻。

3 在光譜分析中的應用

光譜法分析包括：原子發射光譜法、原子吸收光譜法、紫外吸收光譜法、紅外吸收光譜法、激光拉曼光譜法和分子發光光譜法等等[11]。離子液體在紅外光譜分析和紫外光譜分析中得到越來越多的應用，主要原因是離子液體與許多有機溶劑互溶，形成的溶液均一、穩定。用紫外光譜法可以檢測離子液體在有機溶劑中的含量，紅外光譜分析和紫外光譜分析均可確定離子液體的吸收峰，通過吸收峰的位置確定離子液體的結構。光譜分析法優點：(1)用量較少；(2)方法簡單、易操作；(3)結果準確可靠。

4 離子液體的前景展望

作為綠色溶劑的離子液體，受到越來越多化學研究者的關注與重視，離子液體的應用也逐步涉入到各個領域[12-15]。離子液體的性質可以通過改變其組成的陰、陽離子進行調節，這使得其應用廣泛。然而有時候機遇是與挑戰并存的，與傳統有機溶劑相比，離子液體固然有很多優異特點，但不可否認的是也存在一些缺陷和局限性。當前，離子液體的應用已經日益趨于成熟，同時也可以說對于離子液體的研究才剛剛開始，更多的挑戰等待科學家去戰勝，更多的機遇等待化學工作者去發掘。所以，只有以更加謙虛謹慎的態度投身化學研究，才能有更多令人驚異的成果被探索出來，期待著更加巨大的化學寶藏被開發，環境問題、能源問題能被更有效的解決，我們生活的環境更加美好。

參考文獻

[1]Li Shenghai,Lin Yingjie. Syntheses and application of new room temperature ionic liquids based on hexaalkylguanidinium salts[J]. Chem Res Chinese U,2005,21(2):158-162.

[2]郭文希. 室溫離子液體的理化性能[J].遼寧化工，2003,32(6): 256-259.

[3]Wilkes J S. A short history of ionic liquids from molten salts to neoteric solvents[J]. Green Chem,2002,4(2): 73.

[4]張鎖江. 離子液體的前沿、進展及應用[J].中國科學B輯:化學，2009,39(10): 1134 - 1144.

[5]張英鋒，李長江，包富山，等. 離子液體的分類、合成與應用[J].化學教育，2005(2): 7-12.

[6]Hechun Lin,Peter W de Oliveira,Michael Veith.Application of ionic liquids in photopolymerizable holographic materials[J].Optical Materials,2010,33(6): 759-762.

[7]李汝雄，王建基. 綠色溶劑--離子液體的制備與應用[J].化工進展，2002，21(1)：43-48.

[8]董社英，王 遠. 咪唑類離子液體的合成及其在分析化學中的應用[J].化學研究與應用，2009,21(1)：13-17.

[9]鐘 平. 室溫離子液體的合成及其在有機合成中的應用[J].溫州師范學院學報(自然科學版)，2004,25(2): 1-8.

[10]倪邦慶. 溴化1-乙基-3-甲基咪唑氯化鋅離子液體的合成、表征及催化性能[J].化工新型材料，2013,41(8)：80-82.

[11]金振興. 1-丁基-3-甲基咪唑離子液體在超級電容器中的應用[J].電子元件與材料，2010,29(9)：66-69.

[12]高 微. 色譜分析中離子液體的應用及其測定[J].色譜，2010,28(1): 14-22.

[13]王風彥，邵光杰. 離子液體應用研究進展[J].化學試劑,2009,31(1): 25-30.

[14]張金生，邊魯寧，李麗華. 離子液體的合成研究與應用進展[J].化學與生物工程，2007,24 (1): 7-9.

[15]鮑曉磊. 離子液體的合成及應用進展[J].河北化工，2007,30(12)：31-35.