綠色溶劑離子液體的發展和分類研究

劉 銘，李雪丹，陳慶陽，田 鵬

(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)

當今社會，能源短缺和溫室效應等一系列問題使人類社會的生存面臨著巨大的威脅與挑戰。21世紀化學領域發展其中一個很重要的研究方向是綠色化學，所謂綠色化學，降低污染是關鍵，其中對于無毒無害的溶劑和催化劑的開發使用，旨在工業生產中降低對于環境造成的污染及破壞，這便是綠色化學的重要倡導內容。作為綠色高效溶劑，離子液體已成為當代化學的熱點研究之一。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。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。

1 離子液體的發展

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[1-3]。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攝氏度，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[4-6]。

2 離子液體的分類

室溫離子液體的各種不同性能取決于其各類陰離子、陽離子的不同結構。原則上，可以通過改變陰離子的種類或者陽離子上的取代基等方法，設計出所需要的室溫離子液體[16]，因而能夠得到許多不同種類的室溫離子液體，至此離子液體家族的龐大可見一斑。

3 離子液體的合成方法

離子液體的種類有很多，通過改變陽離子/陰離子的組合，可以設計合成出許多不同種類的離子液體。離子液體的合成主要有兩種基本方法--直接合成法和兩步合成法[17]。

3.1 直接合成法

通過酸堿中和反應或季銨化反應一步反應合成所需要離子液體，該類反應具有操作經濟簡便，沒有副產物，產品易純化等優點，適合少數簡單的合成反應。例如，硝酸和乙胺的水溶液發生反應制備出硝基乙胺離子液體，就是典型的直接合成法中的中和反應。最近，Hirao[18]等合成的一系列不同陽離子的四氟硼酸鹽離子液體也是采用酸堿中和方法。另外，鹵化1-烷基3-甲基咪唑鹽，鹵化吡啶鹽等的制備則是采用直接合成法中的季銨化反應得到。

3.2 兩步合成法

有些情況下制備目標離子液體通過直接合成法難以實現，兩步合成法至此便應運而生。兩步合成法突破一步合成法的局限性，用于合成較復雜的離子液體[19]。首先，通過季銨化反應制備出含目標陽離子的鹵鹽；然后用目標陰離子置換出鹵鹽或加入Lewis酸來得到目標離子液體。特別注意的是，在用目標陰離子交換鹵素陰離子的過程中，必須通過一些手段使反應盡可能地充分進行，目的是確保沒有陰離子留在目標離子液體中，從而制得高純度的離子液體，而不致對其后期研究應用造成影響。在第二步反應中，使用常用的是AgY或NH4Y作為金屬鹽，該反應因能夠產生AgX沉淀或NH3、HX氣體而容易被除去[20-22]。

對于需要加熱的反應，直接合成法和兩步合成法存在加熱耗費時間較長的特點，此時將常規加熱方法改為微波加熱方法便可改進這一不足之處。微波輔助加熱法，不僅可以大大縮短反應所需時間，提高反應效率，還可以提高產率。可見，利用微波加熱的方法合成離子液體，是該領域研究和發展的必然趨勢[23]。

4 離子液體的特點

離子液體作為一種新型溶劑，相比傳統溶劑，存在以下優異特點：

(1)幾乎沒有蒸氣壓，揮發性很低接近于零，可以有效減少因揮發產生的環境污染問題。

(2)具有較好的熱穩定性和電化學穩定性，容易與其他物質分離從而反復利用，同時溫度范圍和電位窗口范圍都比較寬。

(3)可以根據需要，改變陰離子或陽離子，設計出符合要求的離子液體。

(4)極性的、非配位的溶劑。

(5)溶解性良好，可以較好的溶解有機物和無機物。

(6)酸強度可調，甚至可調至超酸。

離子液體的上述諸多優點使其成為化學反應中良好的溶劑，成為綠色化學熱門的研究方向。

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