Ciecz jonowa

Budowa chemiczna heksafluorofosforanu 1-butylo-3-metyloimidazoliowego ([BMIM]PF 6 ), popularnej cieczy jonowej.
Proponowana struktura cieczy jonowej na bazie imidazoli.

Ciecz jonowa ( IL ) to sól w stanie ciekłym . W niektórych kontekstach termin ten został ograniczony do soli, których temperatura topnienia jest niższa od określonej temperatury, na przykład 100 ° C (212 ° F). Podczas gdy zwykłe ciecze, takie jak woda i benzyna , składają się głównie z elektrycznie obojętnych cząsteczek , ciecze jonowe składają się głównie z jonów . Substancje te są różnie nazywane ciekłymi elektrolitami , stopami jonowymi , ciecze jonowe , sole skondensowane , sole ciekłe lub szkła jonowe .

Ciecze jonowe mają wiele potencjalnych zastosowań. Są silnymi rozpuszczalnikami i mogą być stosowane jako elektrolity . Sole, które są ciekłe w temperaturze zbliżonej do temperatury otoczenia, są ważne w w akumulatorach elektrycznych i zostały uznane za uszczelniacze ze względu na ich bardzo niską prężność par .

Każda sól, która topi się bez rozkładu lub odparowywania, zwykle daje ciecz jonową. Na przykład chlorek sodu (NaCl) topi się w temperaturze 801 ° C (1474 ° F) do postaci cieczy, która składa się głównie z kationów sodu ( Na +
) i anionów chlorkowych ( Cl -
). I odwrotnie, gdy ciecz jonowa jest schładzana, często tworzy jonową substancję stałą — która może być krystaliczna lub szklista .

Wiązanie jonowe jest zwykle silniejsze niż siły Van der Waalsa między cząsteczkami zwykłych cieczy. Z powodu tych silnych oddziaływań sole mają zwykle wysokie energie sieci krystalicznej , przejawiające się w wysokich temperaturach topnienia. Niektóre sole, zwłaszcza te z kationami organicznymi, mają niskie energie sieci krystalicznej, a zatem są ciekłe w temperaturze pokojowej lub niższej . Przykłady metyloimidazoliowym (EMIM) i obejmują: EMIM:Cl , EMIMAc (anion octanowy), EMIM dicyjanamid , ( C2H
obejmują związki oparte na kationie 1-etylo-3 -
5 )( CH
3 ) C
3 H
3 N
+ 2 · N(CN)
− 2 , który topi się w temperaturze −21 °C (−6 °F); i bromek 1-butylo-3,5-dimetylopirydyniowy, który staje się szkłem poniżej -24 ° C (-11 ° F).

Niskotemperaturowe ciecze jonowe można porównać do roztworów jonowych , cieczy zawierających zarówno jony, jak i cząsteczki obojętne, a w szczególności do tzw . czyste związki. Niektóre mieszaniny soli azotanowych mogą mieć temperaturę topnienia poniżej 100 °C.

Określenia „ciecz jonowa” w ogólnym znaczeniu używano już w 1943 r.

Kiedy szalone mrówki Tawny ( Nylanderia fulva ) walczą z mrówkami ognistymi ( Solenopsis invicta ), te ostatnie spryskują je toksycznym, lipofilowym jadem na bazie alkaloidów. Szalona mrówka Tawny wydziela następnie własny jad, kwas mrówkowy i oczyszcza się nim, co odtruwa jad mrówki ognistej. Mieszane jady reagują ze sobą chemicznie, tworząc ciecz jonową, pierwszą opisaną naturalnie występującą IL.

Historia

Data odkrycia „pierwszej” cieczy jonowej jest kwestionowana, podobnie jak tożsamość jej odkrywcy. Azotan etanoloamoniowy (t.t. 52–55 ° C) został opisany w 1888 r. przez S. Gabriela i J. Weinera. Jedną z najwcześniejszych cieczy jonowych o temperaturze pokojowej był azotan etyloamoniowy ( C
2 H
5 ) NH
+ 3 · NO
- 3 (t.t. 12 ° C), opisany w 1914 r. przez Paula Waldena . W latach 70. i 80. XX wieku ciecze jonowe na bazie imidazolu podstawionego alkilem i pirydyniowe z anionami halogenkowymi lub tetrahalogenoglinianowymi zostały opracowane jako potencjalne elektrolity w bateriach.

W przypadku soli halogenoglinianowych imidazoliowych, ich właściwości fizyczne - takie jak lepkość , temperatura topnienia i kwasowość - można regulować zmieniając podstawniki alkilowe oraz stosunki imidazoliowy/pirydyniowy i halogenek/halogenoglinian. Dwie główne wady niektórych zastosowań to wrażliwość na wilgoć oraz kwasowość lub zasadowość. W 1992 roku Wilkes i Zawarotko otrzymali ciecze jonowe z „obojętnymi” słabo koordynującymi anionami, takimi jak heksafluorofosforan ( PF
− 6 ) i tetrafluoroboran ( BF
- 4 ), co pozwala na znacznie szerszy zakres zastosowań.

Charakterystyka

IL to zazwyczaj bezbarwne, lepkie ciecze. Często są średnimi lub słabymi przewodnikami elektryczności, niejonizującymi. Wykazują niską prężność pary . Wiele z nich ma niską palność i jest stabilnych termicznie.

Właściwości rozpuszczalności IL są zróżnicowane. Nasycone alifatyczne są na ogół słabo rozpuszczalne w cieczach jonowych, podczas gdy alkeny wykazują nieco większą rozpuszczalność, a aldehydy często całkowicie się mieszają. Różnice w rozpuszczalności można wykorzystać w katalizie dwufazowej, takiej jak uwodorniania i hydrokarbonylowania , co pozwala na stosunkowo łatwe oddzielenie produktów i/lub nieprzereagowanego substratu (substratów). Rozpuszczalność gazu ma ten sam trend, co dwutlenek węgla gaz wykazujący dobrą rozpuszczalność w wielu cieczach jonowych. Tlenek węgla jest mniej rozpuszczalny w cieczach jonowych niż w wielu popularnych rozpuszczalnikach organicznych, a wodór jest rozpuszczalny tylko słabo (podobnie jak rozpuszczalność w wodzie) i może różnić się stosunkowo nieznacznie między bardziej powszechnymi cieczami jonowymi. Wiele klas reakcji chemicznych . Mieszalność cieczy jonowych z wodą lub rozpuszczalnikami organicznymi zmienia się w zależności od długości łańcucha bocznego kationu i wyboru anionu . Można je funkcjonalizować tak, aby działały jako kwasy , zasady lub ligandy i są prekursorami soli w wytwarzaniu stabilnych karbenów . Ze względu na swoje charakterystyczne właściwości ciecze jonowe były badane pod kątem wielu zastosowań.

Kationy powszechnie występujące w cieczach jonowych

Niektóre ciecze jonowe można destylować w warunkach próżniowych w temperaturach bliskich 300°C. Para nie składa się z oddzielnych jonów, ale składa się z par jonowych.

IL mają szeroki zakres płynów. Niektóre IL nie zamarzają do bardzo niskich temperatur (nawet -150 °C). Temperaturę zeszklenia wykryto poniżej -100 °C w przypadku kationów N-metylo-N-alkilopirolidyniowych fluorosulfonylo-trifluorometanosulfonylimidu (FTFSI). Zaproponowano niskotemperaturowe ciecze jonowe (poniżej 130 K ) jako płynną podstawę dla wirującego teleskopu z płynnym zwierciadłem o bardzo dużej średnicy, który ma być oparty na Księżycu.

Woda jest powszechnym zanieczyszczeniem cieczy jonowych, ponieważ może być absorbowana z atmosfery i wpływa na właściwości transportowe RTIL, nawet w stosunkowo niskich stężeniach.

Odmiany

Sól kuchenna NaCl i ciecz jonowa bis(trifluorometylosulfonylo)imid 1-butylo-3-metyloimidazoliowy w temperaturze 27 °С

Klasycznie IL składają się z soli niesymetrycznych, elastycznych kationów organicznych z symetrycznymi słabo koordynującymi anionami . Zarówno składniki kationowe, jak i anionowe były bardzo zróżnicowane.

kationy

W cieczach jonowych o temperaturze pokojowej (RTIL) dominują sole pochodzące od 1-metyloimidazolu, tj. 1-alkilo-3-metyloimidazoliowy. Przykłady obejmują 1-etylo-3-metylo- (EMIM), 1-butylo-3-metylo- (BMIM), 1-oktylo-3-metylowy (OMIM), 1-decylo-3-metylo-(DMIM), 1- dodecylo-3-metylodocecyloMIM). Inne kationy imidazoliowe to 1-butylo-2,3-dimetyloimidazoliowy (BMMIM lub DBMIM) i 1,3-di (N,N-dimetyloaminoetylo)-2-metyloimidazoliowy (DAMI). Inne kationy N-heterocykliczne pochodzą od pirydyny : 4-metylo-N-butylo-pirydyniowy (MBPy) i N-oktylopirydyniowy (C8Py). Konwencjonalne czwartorzędowe kationy amoniowe również tworzą IL, np. tetraetyloamoniowy (TEA) i tetrabutyloamoniowy (TBA) .

aniony

Typowe aniony w cieczach jonowych to: tetrafluoroboran (BF 4 ) , heksafluorofosforan (PF 6 ) , bis-trifluorometanosulfonimid (NTf 2 ) , trifluorometanosulfonian (OTf) , dicyjanamid (N(CN) 2 ) , wodorosiarczan (HSO 4 ) , i siarczan etylu ( EtOS03 ) . Magnetyczne ciecze jonowe można syntetyzować przez włączenie paramagnetycznych , co ilustruje rysunek tetrachlorożelazian 1-butylo-3-metyloimidazoliowy .

Specjalistyczne IL

Protonowe ciecze jonowe powstają w wyniku przeniesienia protonu z kwasu na zasadę . W przeciwieństwie do innych cieczy jonowych, które na ogół powstają w wyniku sekwencji syntezy , protonowe ciecze jonowe można łatwiej wytworzyć, po prostu mieszając kwas i zasadę.

Kationy fosfoniowe (R 4 P + ) są mniej powszechne, ale mają pewne korzystne właściwości. Niektóre przykłady kationów fosfoniowych to triheksylo(tetradecylo)fosfoniowy (P 6,6,6,14 ) i tributylo(tetradecylo)fosfoniowy (P 4,4,4,14 ).

Ciecze poli(jonowe).

Polimeryzowane ciecze jonowe, ciecze poli(jonowe) lub polimeryczne ciecze jonowe, wszystkie w skrócie PIL to polimerowa postać cieczy jonowych. Mają połowę jonowości cieczy jonowych, ponieważ jeden jon jest związany jako ugrupowanie polimeru, tworząc łańcuch polimerowy. PIL mają podobny zakres zastosowań, porównywalny z cieczami jonowymi, ale architektura polimerów daje większe szanse na kontrolowanie przewodnictwa jonowego. Rozszerzyli zastosowania cieczy jonowych do projektowania inteligentnych materiałów lub stałych elektrolitów.

Aplikacje komercyjne

Rozważano wiele zastosowań, ale niewiele z nich zostało skomercjalizowanych. IL są wykorzystywane do produkcji benzyny poprzez katalizowanie alkilowania .

Droga katalizowana przez IL do 2,4-dimetylopentanu (składnik benzyny) zgodnie z praktyką firmy Chevron.

IL na bazie jodku tetraalkilofosfoniowego jest rozpuszczalnikiem dla jodku tributylocyny, który działa jako katalizator przegrupowania monoepoksydu butadienu . Proces ten został skomercjalizowany jako droga do 2,5-dihydrofuranu , ale później przerwano.

Potencjalne aplikacje

Kataliza

IL poprawiają wydajność katalityczną nanocząstek palladu. Ponadto ciecze jonowe mogą być stosowane jako prekatalizatory przemian chemicznych. W związku z tym dialkiloimidazoliowe, takie jak [EMIM] Ac, zostały użyte w połączeniu z zasadą do wytworzenia N-heterocyklicznych karbenów (NHC). Wiadomo, że te NHC na bazie imidazolu katalizują szereg przemian, takich jak kondensacja benzoesu i reakcja OTHO.

Farmaceutyki

Uznając, że około 50% farmaceutyków dostępnych na rynku to sole, zbadano ciekłe formy wielu farmaceutyków. Połączenie farmaceutycznie aktywnego kationu z farmaceutycznie aktywnym anionem prowadzi do powstania cieczy jonowej Dual Active, w której łączy się działanie dwóch leków.

ILs mogą ekstrahować określone związki z roślin do zastosowań farmaceutycznych, odżywczych i kosmetycznych, takie jak artemizynina, lek przeciwmalaryczny z rośliny Artemisia annua .

Przetwarzanie biopolimerów

Zainteresowanie wzbudziło rozpuszczanie celulozy przez IL. Zgłoszenie patentowe z 1930 roku wykazało, że chlorki 1-alkilopirydyniowe rozpuszczają celulozę. Podążając śladami lyocell , który wykorzystuje uwodniony N-tlenek N-metylomorfoliny jako rozpuszczalnik do masy celulozowej i papieru. „Waloryzację” celulozy, czyli jej konwersję do bardziej wartościowych związków chemicznych, osiągnięto dzięki zastosowaniu cieczy jonowych. Reprezentatywnymi produktami są estry glukozy, sorbitol i alkiloglikozydy. IL Chlorek 1-butylo-3-metyloimidazoliowy rozpuszcza liofilizowanego banana pulpy i z dodatkowym 15% sulfotlenkiem dimetylu , nadaje się do analizy węgla-13 NMR . W ten sposób można monitorować cały kompleks skrobi , sacharozy , glukozy i fruktozy w funkcji dojrzewania bananów.

Poza celulozą, IL wykazały również potencjał w rozpuszczaniu, ekstrakcji, oczyszczaniu, przetwarzaniu i modyfikacji innych biopolimerów , takich jak chityna / chitozan , skrobia , alginian , kolagen, żelatyna , keratyna i fibroina . Na przykład IL pozwalają na przygotowanie materiałów biopolimerowych w różnych formach (np. gąbek, filmów, mikrocząstek, nanocząstek i aerożeli) oraz lepsze reakcje chemiczne biopolimerów, prowadzące do opartych na biopolimerach nośników dostarczających leki/geny. Ponadto IL umożliwiają syntezę chemicznie modyfikowanych skrobi z wysoką wydajnością i stopniem podstawienia (DS) oraz opracowywanie różnych materiałów na bazie skrobi, takich jak skrobia termoplastyczna, folie kompozytowe, stałe elektrolity polimerowe, nanocząstki i nośniki leków.

Przetwarzanie paliwa jądrowego

Chlorek IL 1-butylo-3-metyloimidazoliowy badano pod kątem odzyskiwania uranu i innych metali ze zużytego paliwa jądrowego i innych źródeł.

Słoneczna energia cieplna

IL są potencjalnymi nośnikami ciepła i magazynowania w systemach słonecznej energii cieplnej . Skoncentrowane słoneczne urządzenia termiczne, takie jak rynny paraboliczne i wieże energii słonecznej , skupiają energię słoneczną na odbiorniku, który może generować temperatury około 600 ° C (1112 ° F). Ciepło to może następnie wytwarzać energię elektryczną w cyklu parowym lub innym. W celu buforowania w okresach zachmurzenia lub w celu umożliwienia wytwarzania energii w nocy, energia może być magazynowana poprzez ogrzewanie płynu pośredniego. Chociaż sole azotanowe są medium z wyboru od wczesnych lat 80. XX wieku, zamarzają w temperaturze 220 ° C (428 ° F), a zatem wymagają ogrzewania, aby zapobiec zestaleniu. Ciecze jonowe, takie jak [C 4 mim][ BF
4 ] mają bardziej korzystne zakresy temperatur fazy ciekłej (-75 do 459 °C) i dlatego mogą być doskonałymi ciekłymi nośnikami ciepła i płynami przenoszącymi ciepło.

Recykling odpadów

IL mogą pomóc w recyklingu towarów syntetycznych, tworzyw sztucznych i metali. Oferują specyficzność wymaganą do oddzielania od siebie podobnych związków, na przykład oddzielania polimerów w strumieniach odpadów z tworzyw sztucznych . Osiągnięto to dzięki procesom ekstrakcji w niższych temperaturach niż obecne podejścia i może pomóc uniknąć spalania tworzyw sztucznych lub składowania ich na wysypiskach.

Baterie

IL mogą zastąpić wodę jako elektrolit w akumulatorach metalowo-powietrznych . IL są atrakcyjne ze względu na niską prężność par. Co więcej, IL mają okno elektrochemiczne do sześciu woltów (w porównaniu z 1,23 dla wody) obsługujące metale o większej gęstości energetycznej. Gęstości energii od 900 do 1600 watogodzin na kilogram wydają się możliwe.

Środek dyspergujący

IL mogą działać jako środki dyspergujące w farbach , poprawiając wykończenie, wygląd i właściwości schnięcia. IL są używane do dyspergowania nanomateriałów w IOLITEC.

Wychwytywanie węgla

Główny artykuł: Ciecze jonowe w wychwytywaniu dwutlenku węgla

ILs i CO2
aminy badano pod kątem wychwytywania dwutlenku węgla i oczyszczania gazu ziemnego .

Trybologia

Wykazano, że niektóre ciecze jonowe zmniejszają tarcie i zużycie w podstawowych testach tribologicznych , a ich polarny charakter sprawia, że ​​są kandydatami na smary do zastosowań trybotronicznych . Podczas gdy stosunkowo wysoki koszt cieczy jonowych obecnie uniemożliwia ich stosowanie jako czystych środków smarnych, dodanie cieczy jonowych w stężeniach tak niskich jak 0,5% wag. może znacząco zmienić właściwości smarne konwencjonalnych olejów bazowych. W związku z tym obecnie przedmiotem badań jest wykorzystanie cieczy jonowych jako dodatków do olejów smarowych, często z motywacją do zastąpienia szeroko stosowanych, szkodliwych dla środowiska dodatków smarowych . Jednak deklarowana zaleta ekologiczna cieczy jonowych była wielokrotnie kwestionowana i nie została jeszcze wykazana z cyklu życia .

Bezpieczeństwo

Niska lotność cieczy jonowych skutecznie eliminuje główną drogę uwalniania i zanieczyszczenia środowiska.

Toksyczność cieczy jonowych dla środowiska wodnego jest tak samo poważna jak wielu obecnych rozpuszczalników lub bardziej.

Ultradźwięki mogą degradować roztwory cieczy jonowych na bazie imidazolu z nadtlenkiem wodoru i kwasem octowym do stosunkowo nieszkodliwych związków.

Pomimo niskiej prężności par wiele cieczy jonowych jest palnych .

Zobacz też

Linki zewnętrzne

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Ionic_liquid&oldid=1131842739 ”