Войти
Химическая структура гексафторфосфата 1-бутил-3-метилимидазолия ([BMIM] PF 6), обычная ионная жидкость. 
Предлагаемая структура ионной жидкости на основе имидазолия. Ионная жидкость (IL) представляет собой соль в жидкое состояние. В некоторых контекстах термин был ограничен солями, точка плавления которых ниже некоторой произвольной температуры, например 100 ° C (212 ° F). В то время как обычные жидкости, такие как вода и бензин, в основном состоят из электрически нейтральных молекул, ионные жидкости в основном состоят из ионов. и короткоживущие ионные пары. Эти вещества по-разному называются жидкими электролитами, ионными расплавами, ионными жидкостями, плавленными солями, жидкими солями, или ионные стекла .
Ионные жидкости имеют множество потенциальных применений. Они являются мощными растворителями и могут использоваться в качестве электролитов. Соли, которые являются жидкими при температуре, близкой к температуре окружающей среды, важны для применения в электрических батареях и рассматриваются как герметики из-за очень низкого давления пара.
Любая соль, которая плавится без разложения или испарения, как правило, с образованием ионной жидкости. хлорид натрия (NaCl), например, плавится при 801 ° C (1474 ° F) в жидкость, которая в основном состоит из катионов натрия (Na.) и анионов хлорида ( Cl.). И наоборот, когда ионная жидкость охлаждается, она часто образует ионное твердое вещество, которое может быть либо кристаллическим, либо стекловидным.
ионной связью обычно больше, чем силы Ван-дер-Ваальса между молекулами обычных жидкостей. По этой причине обычные соли имеют тенденцию плавиться при более высоких температурах, чем другие твердые молекулы. Некоторые соли являются жидкими при комнатной температуре или ниже. Примеры включают соединения на основе катиона 1-этил-3-метилимидазолия (EMIM) и включают: EMIM: Cl, EMIM дицианамид, (C. 2H. 5) (CH. 3)C. 3H. 3N. 2· N (CN). 2, плавящийся при -21 ° C (-6 ° F), и бромид 1-бутил-3,5-диметилпиридиния, который становится стеклом при температуре ниже -24 ° C (-11 ° F).
Низкотемпературные ионные жидкости можно сравнить с ионными растворами, жидкостями, которые содержат как ионы, так и нейтральные молекулы, и, в частности, с так называемыми глубокими эвтектическими растворителями, смеси ионных и неионных твердых веществ, которые имеют гораздо более низкие температуры плавления, чем чистые соединения. Определенные смеси нитратных солей могут иметь температуры плавления ниже 100 ° C.
Термин «ионная жидкость» в целом разум использовался еще в 1943 году.
Когда сумасшедшие муравьи Tawny (Nylanderia fulva ) сражаются с огненными муравьями (Solenopsis invicta ), последние распыляют на них яд, липофильный яд на основе алкалоидов. После этого сумасшедший муравей излучает свой собственный яд, муравьиную кислоту, С его помощью можно ухаживать за собой - действие, которое выводит токсины из яда огненного муравья. Смешанные яды химически реагируют друг с другом с образованием ионной жидкости, первой описываемой ИЖ в природе.
Дата открытия «первой» ионной жидкости оспаривается, а также личность ее первооткрывателя. Нитрат этаноламмония (температура плавления 52–55 ° C) был описан в 1888 г. С. Габриэлем и Дж. Вайнером. Одной из самых первых ионных жидкостей, действительно имеющих комнатную температуру, была нитрат этиламмония (C. 2H. 5) NH. 3· NO. 3(т.пл. 12 ° C), о котором в 1914 году сообщил Пол Уолден. В 1970-х и 1980-х годах ионные жидкости на основе алкилзамещенных катионов имидазолия и пиридиния с анионами галогенида или тетрагалогеноалюмината были разработаны в качестве потенциальных электролитов в батареях.
Для солей галогеноалюмината имидазолия их физические свойства, такие как вязкость, точка плавления и кислотность, можно регулировать путем изменения алкил заместители и отношения имидазолий / пиридиний и галогенид / галогеналюминат. Двумя основными недостатками для некоторых применений были чувствительность к влаге и кислотность или основность. В 1992 году Уилкс и Заваротко получили ионные жидкости с «нейтральными» слабо координирующими анионами, такими как гексафторфосфат (PF. 6) и тетрафторборат (BF. 4), что позволяет использовать гораздо более широкий спектр применения.
Хотя многие классические ИЖ представляют собой соли гексафторфосфата и тетрафторбората, популярны также бистрифлимид [(CF. 3SO. 2). 2N]..
Ионные жидкости часто являются проводниками электричества от умеренного до плохого, неионизирующими, очень вязкими и часто имеют низкое давление пара. Их другие свойства разнообразны: многие имеют низкую горючесть, термически стабильны, с широкими жидкими областями и благоприятными сольватирующими свойствами для ряда полярных и неполярных соединений. Множество классов химических реакций, таких как реакции Дильса-Альдера и реакции Фриделя-Крафтса могут быть проведены с использованием ионных жидкостей в качестве растворителей. ИЖ могут служить растворителями для биокатализа. Смешиваемость иона Жидкости с водой или органическими растворителями варьируются в зависимости от длины боковой цепи катиона и от выбора аниона. Они могут быть функционализированы, чтобы действовать как кислоты, основания или лиганды, и являются солями-предшественниками при получении стабильных карбенов. Было обнаружено, что они гидролизуются. Благодаря своим отличительным свойствам ионные жидкости исследовались во многих областях.
Катионы, обычно присутствующие в ионных жидкостях. Некоторые ионные жидкости можно перегонять в условиях вакуума при температуре около 300 ° C. В оригинальной работе Мартина Эрла и др. Авторы ошибочно пришли к выводу, что пар состоит из отдельных, разделенных ионов, но позже было доказано, что образующиеся пары состояли из ионных пар. Некоторые ионные жидкости (например, нитрат 1-бутил-3-метилимидазолия) выделяют горючие газы при термическом разложении. Термическая стабильность и точка плавления зависят от компонентов жидкости. Термическая стабильность специальной ионной жидкости, протонированного бетаин-бис (трифторметансульфонил) имида составляет около 534 К (502 ° F), а N-бутил-N-метилпирролидиниум бис (трифторметансульфонил) имид был термически стабильным до 640 К. Верхние пределы термостабильности ионных жидкостей, указанные в литературе, обычно основаны на быстром (около 10 К / мин) сканировании TGA и не предполагают длительную (несколько часов) термостабильность ионных жидкостей, которая для большинства ионных жидкостей не превышает 500 К.
Свойства растворимости ИЖ разнообразны. Насыщенные алифатические соединения обычно плохо растворимы в ионных жидкостях, тогда как алкены проявляют несколько большую растворимость, и альдегиды могут полностью смешиваться. Различия в растворимости можно использовать в двухфазном катализе, таком как процессы гидрирования и гидрокарбонилирования, что позволяет относительно легко разделить продукты и / или непрореагировавший субстрат (субстраты). Растворимость газа следует той же тенденции: газ двуокись углерода показывает хорошую растворимость во многих ионных жидкостях. Окись углерода менее растворима в ионных жидкостях, чем во многих популярных органических растворителях, а водород растворим только в небольшой степени (аналогично растворимости в воде) и может относительно мало отличаться между более распространенными ионными жидкостями.
Поваренная соль NaCl и ионная жидкость 1-бутил-3-метилимидазолий бис (трифторметилсульфонил) имид при 27 ° С Ионная жидкость комнатной температуры (RTIL) состоит из объемных и асимметричные органические катионы, такие как ионы 1-алкил-3-метилимидазолия, 1-алкилпиридиния, N-метил-N-алкилпирролидиния и аммония. Катионы фосфония встречаются реже, но обладают некоторыми полезными свойствами. Используется широкий диапазон анионов, от простых галогенидов, которые обычно имеют высокие температуры плавления, до неорганических анионов, таких как тетрафторборат и гексафторфосфат и с крупными органическими анионами, такими как бистрифлимид, трифлат или тозилат. Существует также много потенциальных применений ионных жидкостей с простыми негалогенированными органическими анионами, такими как формиат, алкилсульфат, алкилфосфат или гликолят. Температура плавления 1-бутил-3-метил имидазолия тетрафторбората составляет около -80 ° C (-112 ° F), и это бесцветная жидкость с высокой вязкостью при комнатной температуре. Если сильно асимметричный катион сочетается с сильно асимметричным анионом, образованная ионная жидкость может не замерзнуть до очень низких температур (до -150 ° C), а температура стеклования была обнаружена ниже -100 ° C в случае ионной жидкости. жидкости с катионами N-метил-N-алкилпирролидиния и фторсульфонил-трифторметансульфонилимидом (FTFSI). Вода - обычная примесь в ионных жидкостях, поскольку она может абсорбироваться из атмосферы и влиять на транспортные свойства RTIL даже при относительно низких концентрациях.
Во многих процессах синтеза с использованием катализаторов на основе переходных металлов наночастицы металлов играют важную роль как фактический катализатор или как резервуар катализатора. ИЖ представляют собой привлекательную среду для образования и стабилизации каталитически активных наночастиц переходных металлов. Что еще более важно, можно получить ИЖ, которые включают координирующие группы, например, с нитрильными группами либо на катионе, либо на анионе (CN-IL). В различных реакциях сочетания C-C, катализируемых катализатором палладий , было обнаружено, что наночастицы палладия лучше стабилизируются в CN-IL по сравнению с нефункционализированными ионными жидкостями; таким образом достигается повышенная каталитическая активность и возможность повторного использования.
Низкотемпературные ионные жидкости (ниже 130 K ) были предложены в качестве жидкой основы для телескоп с вращающимся жидкостным зеркалом чрезвычайно большого диаметра , который будет базироваться на Луне. Низкая температура выгодна для получения изображения длинноволнового инфракрасного света, который представляет собой форму света (чрезвычайно с красным смещением ), приходящего из самых далеких частей видимой Вселенной. Такая жидкая основа будет покрыта тонкой металлической пленкой, которая образует отражающую поверхность. Низкая летучесть важна в условиях лунного вакуума для предотвращения испарения.
Протонные ионные жидкости образуются в результате переноса протона от кислоты к основанию. В отличие от других ионных жидкостей, которые обычно образуются посредством последовательности этапов синтеза, протонные ионные жидкости можно создать проще, просто смешав кислоту и основание.
Полимеризованные ионные жидкости, поли (ионные жидкости) или полимерные ионные жидкости, сокращенно PIL, представляют собой полимерную форму ионных жидкостей. Они имеют половину ионности ионных жидкостей, поскольку один ион фиксируется как полимерный фрагмент с образованием полимерной цепи. PIL имеют аналогичный диапазон применений, сравнимый с ионными жидкостями, но полимерная архитектура дает больше шансов для управления ионной проводимостью. Они расширили область применения ионных жидкостей для разработки интеллектуальных материалов или твердых электролитов.
Магнитные ионные жидкости могут быть синтезированы путем включения парамагнитных элементов в ионную жидкость. молекулы. Одним из примеров является тетрахлорферрат 1-бутил-3-метилимидазолия.
Многие применения были рассмотрены, некоторые коммерциализированы на короткое время, а другие все еще находятся в стадии разработки.
Жидкий йодид тетраалкил фосфония представляет собой растворитель иодида трибутилолова, который действует как катализатор для перегруппировки моноэпоксида бутадиена. Этот процесс был коммерциализирован как путь к, но позже был прекращен.
Признавая, что приблизительно 50% коммерческих фармацевтических препаратов представляют собой органические соли, были исследованы ионные жидкие формы ряда фармацевтических препаратов. Комбинирование фармацевтически активного катиона с фармацевтически активным анионом приводит к ионной жидкости с двойной активностью, в которой действия двух лекарственных средств объединены.
ИЖ могут извлекать определенные соединения из растений для фармацевтических, пищевых и косметических применений, таких как противомалярийный препарат артемизинин из растения Artemisia annua.
Растворение целлюлозы ИЖ привлекло внимание. Патентная заявка 1930 г. показала, что хлориды 1-алкилпиридиния растворяют целлюлозу. По стопам процесса лиоцелл, в котором используется гидратированный N-метилморфолин N-оксид в качестве неводного растворителя для растворения целлюлозы и бумаги. Растворение материалов на основе целлюлозы, таких как папиросная бумага, образующихся в химической промышленности и в исследовательских лабораториях, при комнатной температуре IL 1-бутил-3-метилимидазолий хлорид, bmimCl и извлечение ценных соединений было изучено электроосаждение из этой целлюлозной матрицы. «Повышение ценности» целлюлозы, то есть ее преобразование в более ценные химические вещества, было достигнуто за счет использования ионных жидкостей. Типичными продуктами являются сложные эфиры глюкозы, сорбит и алкилгикозиды. IL 1-бутил-3-метилимидазолий хлорид растворяет лиофилизированный банановую целлюлозу и с дополнительными 15% диметилсульфоксидом превращается в углерод-13 ЯМР анализ. Таким образом, весь комплекс крахмала, сахарозы, глюкозы и фруктозы можно контролировать как функцию созревания банана.
Хлорид IL-1-бутил-3-метилимидазолия был исследован на предмет извлечения урана и других металлов из отработанного ядерного топлива и другие источники. Протонированный бетаин-бис (трифторметансульфонил) имид был исследован в качестве растворителя оксидов урана. Ионные жидкости, N-бутил-N-метилпирролидиния бис (трифторметилсульфонил) имид и N-метил-N-пропилпиперидин бис (трифторметилсульфонил) имид, были исследованы для электроосаждения металлов европия и урана соответственно.
IL являются потенциальными носителями теплопередачи и хранения в системах солнечной тепловой энергии. Концентрирующие солнечные тепловые объекты, такие как параболические желоба и солнечные энергетические башни, фокусируют солнечную энергию на приемнике, который может генерировать температуру около 600 ° C (1112 ° F). Это тепло может затем генерировать электричество в паровом или другом цикле. Для буферизации в пасмурные периоды или для обеспечения генерации в ночное время энергия может накапливаться путем нагревания промежуточной жидкости. Хотя нитратные соли были предпочтительной средой с начала 1980-х годов, они замерзают при 220 ° C (428 ° F) и, следовательно, требуют нагревания для предотвращения затвердевания. Ионные жидкости, такие как C. 4 [BF. 4], имеют более благоприятные температурные диапазоны жидкой фазы (от -75 до 459 ° C) и поэтому могут быть отличными жидкими теплонакопителями и теплоносителями.
ИЖ могут помочь переработке синтетических товаров, пластмасс и металлов. Они предлагают специфичность, необходимую для отделения подобных соединений друг от друга, например, разделение полимеров в потоках пластиковых отходов. Это было достигнуто с использованием процессов экстракции при более низких температурах, чем нынешние подходы, и могло помочь избежать сжигания пластмасс или их захоронения на свалках.
ИЖ могут заменить воду в качестве электролита в металло-воздушных батареях. ИЖ привлекательны из-за низкого давления пара, что увеличивает срок службы батареи за счет более медленной высыхания. Более того, ИЖ имеют электрохимическое окно до шести вольт (против 1,23 для воды), поддерживающее более энергоемкие металлы. Плотность энергии от 900 до 1600 ватт-часов на килограмм представляется возможной.
ИЖ могут действовать как диспергирующие агенты в красках для улучшения отделка, внешний вид и высыхающие свойства. ИЖ используются для диспергирования наноматериалов в IOLITEC.
ИЖ и амины были исследованы для улавливания диоксида углерода CO. 2и очистки природного газа.
Было показано, что некоторые ионные жидкости снижают трение и износ при основных трибологических испытаниях, а их полярная природа делает их кандидатами в смазочные материалы для триботронных приложений. В то время как сравнительно высокая стоимость ионных жидкостей в настоящее время препятствует их использованию в качестве чистых смазочных материалов, добавление ионных жидкостей в концентрациях всего 0,5 мас.% Может значительно изменить смазочные характеристики обычных базовых масел. Таким образом, в настоящее время основное внимание в исследованиях уделяется использованию ионных жидкостей в качестве присадок к смазочным маслам, часто с целью замены широко используемых экологически вредных присадок к смазочным материалам. Однако заявленное экологическое преимущество ионных жидкостей неоднократно подвергалось сомнению, и их еще предстоит продемонстрировать с точки зрения жизненного цикла.
Низкая летучесть ионных жидкостей эффективно устраняет основной путь выброса и загрязнения в окружающую среду.
Токсичность ионных жидкостей в водной среде не хуже, чем у многих современных растворителей. Смертность не обязательно является самым важным показателем для измерения воздействия на водную среду, поскольку сублетальные концентрации существенно меняют историю жизни организмов. Баланс сокращения летучих органических соединений от разливов в водных путях (через пруды / водотоки и т. Д.) Требует дальнейших исследований. Разнообразие заместителей в ионных жидкостях упрощает процесс идентификации соединений, отвечающих требованиям безопасности.
Ультразвук может разлагать растворы ионных жидкостей на основе имидазолия с перекисью водорода и уксусной кислотой до относительно безвредных соединений.
Несмотря на низкий давление пара многие ионные жидкости горючие и поэтому требуют осторожного обращения. Кратковременное воздействие (от 5 до 7 секунд) факела может вызвать воспламенение некоторых ионных жидкостей. Для некоторых ионных жидкостей возможно полное сгорание.
