离子液体具有如下特点: 

  1. 没有显著的蒸气压(不易挥发、无味)

  2. 具有良好的溶解能力(对可溶体系而言)

  3. 具有良好的导电性

  4. 具有“可设计性”(根据功能需求进行结构设计)

  5. 具有一定热稳定性和化学稳定性

  6. 分离循环利用

  7. Chemical%20Plant.jpg

“离子液体”应用

    1.  催化、有机合成

       离子液体不易挥发、不易燃,比传统挥发且易燃的有机溶剂更具有安全性、环保性,因此,离子液体被认为与超临界CO2、双水相一起构成三大绿色溶剂。

       目前,有报道称一些有机反应,比如,碳循环合成、adol反应、交联反应均在离子液体中重新进行了尝试,证明离子液体较普通有机溶剂可以明显提高反应产率。由于离子液体蒸汽压极低,液态温度范围宽,便于分离。将催化剂溶于离子液体中,与离子液体一起循环利用,催化剂兼有均相催化效率高和多相催化易分离的优点。

       以下为部分离子液体催化、有机合成案例:

  • 氢化反应

    将离子液体应用于氢化反应已有大量的报道,反应速率比用普通溶剂中快几倍,所用离子液体和催化剂的混合液可以重复利用,在整个过程中,离子液体起到溶剂和催化剂的双重作用。

  • 傅-克反应

    傅-克反应包括傅-克酰基化、傅-克烷基化反应,这两种类型的反应在有机化工中具有举足轻重的地位,但出于绿色合成和成本考虑,有些已改用离子液体替代传统溶剂,例如,Seddon等利用离子液体研究了两可亲核试剂吲哚和2-萘酚的烷基化反应,该方法简单、产品易于分离,杂原子上的区域选择性烷基化产率在90%以上,而且溶剂可以回收再利用,显示了离子液体作为烷基化反应的溶剂时所具有的优势,在1972年,Parshall研究了在四已胺三氯锡酸盐中乙烯的羰基化反应,另外,也有报道几种烷烃在卤化1-烷基吡啶和卤化1-甲基-3-烷基咪唑与无水AlCl3组成的超强酸性室温离子液体中与CO的直接羰基化反应,产物为酮。

  • Heck反应

    Heck反应即烯烃和卤代芳烃或芳香酐在催化剂(如金属钯)的作用下,生成芳香烯烃的反应,离子液体应用于此类反应中能较好地克服传统反应存在的催化剂流失、所使用的有机溶剂挥发等问题。2000年,Vincenzo等报道了将离子液体应用于Heck反应后,该反应的反应速率很快,而且收率提高到90%以上Seddon等研究小组在三相系统[BMIM(1-丁基-3-甲基咪唑)]PF6/水/己烷中进行了Heck反应的研究,所用的催化剂留在离子液体中,可以循环使用,而产品溶解在有机层内,反应形成的副产物被提取到水相中,容易分离。

  • Diels-Alder反应

    Diels-Alder反应是有机化学中的一个重要反应,人们对该反应的注意点不仅是其产率和速率,更重要的是其立体选择性。将离子液体应用于Diels-Alder反应研究方面,已有大量的报道。如Howarth等研究小组报道了在咪唑盐室温离子液体中环戊二烯与烯醛类物质反应进行的情况。研究发现,在离子液体中进行时该反应的立体选择性较好,即得到的内外型产物的比例约在95:5左右。研究都发现,在离子液体中进行的该反应不但反应速度快,反应产率高,反应的立体选择性好,而且离子液体可以回收重新使用。这说明,离子液体在Diels-Alder反应方面比普通溶剂具有更大的优势。

  • 不对称催化

    研究表明,将离子液体应用于不对称催化反应,对映体的选择性相对于普通溶剂有很大的提高,而且解决了传统方法中产物不易从体系中分离出来这一难题。将离子液体应用于不对称催化反应中已有大量的报道,如Chen研究组报道了将离子液体应用于不对称烯丙基烷基化反应中;Song研究组则将离子液体应用于不对称环氧化反应中;Wasserschied等报道了从“手性池”(chiral pool)衍生的新型手性离子液体的合成和特性,我们相信这些手性离子液体的合成对于研究不对称催化反应尤其在手性药物合成方面将会有重大意义。

    2.  吸收、分离、萃取

    3.  电解质、电解液

    4.  抗静电

     5.  溶解纤维素

      传统溶解纤维素方法,包括铜氨液、磺酸盐,通常比较繁琐或成本高,需要特殊溶剂,通常是具有高的离子强度和在苛刻条件下进行。

       1934年首次发现可以在离子液体中溶解纤维素,但是,当时没有建立离子液体概念,被认为没有应用价值,但后来,Rogers和他的研究小组进行大量实验研究表明,无论精制还是原始纤维素均可溶于亲水性离子液体中。

       

     6.  摩擦、润滑

       离子液体具有可以忽略的蒸汽压、非燃性、高热稳定性、低熔点和高导电能力,这些也正是优良润滑剂所应具备的优点,因此,离子液体在摩擦领域中具有很重要的作用。

       在2001年,离子液体首次作为高性能润滑剂应用在摩擦领域。一些离子液体的分解温度在350℃以上,有时甚至到480℃,而且离子液体在低温(-50℃甚至-100℃)仍具有流动性,如此宽液程使得离子液体在很宽的温度内都具有良好的减摩抗磨作用。离子液体与其他合成润滑油最显著不同的是离子液体的高极性(图3),从而使得离子液体能够在摩擦副表面形成高效吸附膜和发生摩擦化学反应。如果向离子液体中添加一些添加剂,其摩擦学性能将更加优异。Priest发现添加1%的磷酸甲苯可以通过协同作用使离子液体在高温下很快的形成摩擦膜。离子液体自身就包含抗磨和抗极压的润滑活性元素(N、P、B、F),添加剂的作用是阻止离子液体被氧化和腐蚀摩擦副。传统的润滑油很难应用于特殊条件下的润滑摩擦,而设计的功能化离子液体可以达到这种目的。

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       离子液体的熔点、粘度是润滑油的两大重要因素,并且都取决于它们的分子结构,阳离子类型,阴离子以及烃基链的类型和长度。在减摩抗磨方面最理想的阳离子是1-烷基-3-甲基咪唑类离子液体。摩擦系数随烷基链的增长而降低,这是由于粘度的增加和长的烷基链可以阻止摩擦副间的直接接触。疏水性离子(如BF4-和PF6-)在潮湿环境易引起钢的腐蚀。相反,其他的疏水性阴离子腐蚀性较小,摩擦学性能也较好。如果离子液体具有相同阴离子和阳离子上取代的烃基链,其粘度按咪唑啉型<吡啶型<吡咯烷鎓盐的顺序增加。对于不同的阴离子类型,粘度按Tf2N-<FAP-< BETI-< BF4-<PF6-<Cl-<Br-的顺序增加。由于离子液体高度对称近乎球形阴离子结构,它经常具有高粘性。离子体积更大,更疏水(BF4-、PF6-),或者通过全氟化引入更多的构象灵活性(Tf2N-,FAP-,BETI-),这样都能减弱离子对间相互作用从而降低粘性。在常见的阳离子离子液体中,最低和最高粘度指数的离子液体都是与Tf2N-结合。

       结论:较理想的阴离子应该是疏水的从而提高减摩抗磨能力和热氧化稳定性,咪唑类阳离子上长的烷基基团可以提高摩擦性能,但是另一方面也会导致热氧化稳定性降低,离子液体的抗磨能力可以通过加入添加剂得到提高,其中氨基酸盐的效果最好,添加剂中的羧基可以很强的吸附在表面,从而形成保护膜,N-苯基添加剂比N-乙酰基添加剂的抗磨性能要好,可能是因为苯基与咪唑环间有芳香作用(图4)。

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       离子液体可以以润滑油、添加剂、薄膜三种方式表现它的优良的摩擦学性能。其中,分子级的室温离子液体薄膜在中等压力下仍保持良好的润滑性能,在剪切过程中并未出现静摩擦和粘滑运动从而制止了摩擦副可能的磨损,究其原因,可能是离子液体电荷以及其不规则的粒子形状。 

       由于离子液体具有可设计性,我们需要发展新型润滑剂,比如说无卤素的阴离子润滑剂,减少对环境的污染,由于阳离子比阴离子更加灵活,多重官能团修饰的复杂阳离子同样也是我们应该致力于进行研究的。



离子液体在 能源 领域中的应用

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Ionic liquids offer a unique suite of properties that make them important candidates for a number of energy related applications. Cation–anion combinations that exhibit low volatility coupled with high electrochemical and thermal stability, as well as ionic conductivity, create the possibility of designing ideal electrolytes for batteries, super-capacitors, actuators, dye sensitised solar cells and thermo-electrochemical cells. In the field of water splitting to produce hydrogen they have been used to synthesize some of the best performing water oxidation catalysts and some members of the protic ionic liquid family co-catalyse an unusual, very high energy efficiency water oxidation process. As fuel cell electrolytes, the high proton conductivity of some of the protic ionic liquid family offers the potential of fuel cells operating in the optimum temperature region above 100 °C. Beyond electrochemical applications, the low vapour pressure of these liquids, along with their ability to offer tuneable functionality, also makes them ideal as CO2 absorbents for post-combustion CO2 capture. Similarly, the tuneable phase properties of the many members of this large family of salts are also allowing the creation of phase-change thermal energy storage materials having melting points tuned to the application. This perspective article provides an overview of these developing energy related applications of ionic liquids and offers some thoughts on the emerging challenges and opportunities.


离子液体在 食品 领域中的应用

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Ionic liquids (ILs) have been extensively used in many research and industry fields, including chemical and pharmaceutical applications. Nevertheless, during past years, some works revealed that those green solvents in fact could present certain toxicity levels. This is the reason why some biocompounds from natural sources, such as choline, amino acids, and organic acids, for synthesis of ILs have showed to be alternatives. This means that there is evidence that ILs with low or nontoxic effects could be synthesized, possibly overcoming the major drawback of using them in the food industry. Applications of these third generation ILs, or even the most common ILs, in food processes are scarce and mainly focused on extraction processes and chemical analysis methods. These works have proven that, considering the physical properties of ILs of interest for the food industry such as melting profile, solubility, viscoelasticity, and high biocompatibility, when compared to those commonly used, ILs are alternatives for use in the design of food products and processes. In this context, the present review provides an overview of applications of ILs in the food industry reported to date in the literature, disclosing their synthesis with natural biocompounds. Also, it proposes new applications in the food and bioproducts industries based on the main trends of the recent literature.



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