Chất lỏng ion

Giới thiệu

Trong bài viết này, chúng tôi nêu bật một số ứng dụng của chất lỏng ion. Chúng tôi đưa ra hơn 50 bổ sung cho danh mục đầu tư hơn 130 chất lỏng ion, từ các dẫn xuất imidazolium và pyridinium nổi tiếng đến amoni, pyrrolidinium, phosphonium và sulfoni. 

Chất lỏng ion là một loại vật liệu hoàn toàn ion, giống muối là chất lỏng ở nhiệt độ thấp bất thường. Định nghĩa về chất lỏng ion sử dụng điểm sôi của nước làm điểm tham chiếu: "Chất lỏng ion là các hợp chất ion lỏng dưới 100 °C." Thông thường hơn, chất lỏng ion có điểm nóng chảy dưới nhiệt độ phòng; một số thậm chí còn có điểm nóng chảy dưới 0 °C. Những vật liệu mới này là chất lỏng trong phạm vi nhiệt độ rộng (300–400 °C) từ điểm nóng chảy đến nhiệt độ phân hủy của chất lỏng ion. Chất lỏng ion thường được coi là lựa chọn an toàn hơn cho dung môi hữu cơ truyền thống do áp suất hơi thấp, dẫn đến giảm nguy cơ tiếp xúc với hít phải và ô nhiễm không khí, khả năng cháy, làm giảm nguy cơ cháy nổ so với dung môi hữu cơ dễ bay hơi và khả năng phân hủy sinh học.

Nếu chúng ta so sánh một chất lỏng ion điển hình, ví dụ, 1-ethyl-3-methylimidazolium ethylsulfate (m.p. <-20 °C), với muối vô cơ điển hình, ví dụ, muối ăn (NaCl, m.p. 801 °C), rõ ràng là tại sao có sự khác biệt.  Chất lỏng eion có độ đối xứng thấp hơn đáng kể! Hơn nữa, điện tích của cation cũng như điện tích của anion được phân phối trên một thể tích lớn hơn của phân tử bằng sự cộng hưởng. Do đó, quá trình đông đặc của chất lỏng ion sẽ diễn ra ở nhiệt độ thấp hơn. Trong một số trường hợp, đặc biệt là nếu các chuỗi bên aliphatic dài có liên quan, một sự chuyển tiếp thủy tinh được quan sát thay vì một điểm nóng chảy.

Sự tương tác ion mạnh (Coulomb-) trong các chất này dẫn đến áp suất hơi không đáng kể (trừ khi xảy ra sự phân hủy), một chất không dễ cháy và trong một sản phẩm nhiệt cao, cơ học cũng như ổn định điện hóa. Ngoài sự kết hợp rất thú vị của các tính chất này, chúng còn cung cấp các tính chất thuận lợi khác: Ví dụ, các tính chất dung môi rất hấp dẫn và không hòa tan với nước hoặc dung môi hữu cơ dẫn đến các hệ thống lưỡng pha.

Sự lựa chọn cation có tác động mạnh đến các tính chất của chất lỏng ion và thường sẽ xác định sự ổn định. Tính chất hóa học và chức năng của chất lỏng ion nói chung được kiểm soát bởi sự lựa chọn anion. Sự kết hợp của một loạt các cation và anion dẫn đến một số lượng lý thuyết có thể có 1018 chất lỏng ion. Tuy nhiên, một số thực tế sẽ có cường độ thấp hơn. Ngày nay, khoảng 1.000 chất lỏng ion được mô tả trong tài liệu, và khoảng 300 chất lỏng có sẵn trên thị trường. Các cấu trúc điển hình kết hợp cation hữu cơ với các anion vô cơ hoặc hữu cơ:

Sự quan tâm ngày càng tăng về mặt học thuật và công nghiệp công nghệ chất lỏng i nionic được đại diện bởi sự gia tăng hàng năm về số lượng ấn phẩm (nguồn Sci-Finder™): Bắt đầu từ dưới 100 vào năm 1990 đến hơn 1.500 bài báo được xuất bản năm ngoái.

Sử dụng và các ứng dụng

Lý do cho sự gia tăng số lượng ấn phẩm có thể được quy cho các tính chất độc đáo của các tài liệu mới này. Cuối cùng, sự kết hợp có thể có của cation hữu cơ và anion đặt các nhà hóa học vào vị trí thiết kế và tinh chỉnh các tính chất vật lý và hóa học bằng cách giới thiệu hoặc kết hợp các họa tiết cấu trúc và do đó, làm cho các vật liệu và dung dịch được tạo riêng có thể. Biểu đồ sau đây tóm tắt các tính chất quan trọng của chất lỏng ion và các ứng dụng tiềm năng và hiện tại của chúng:¹

Các ứng dụng tương ứng của chất lỏng ion có thể được phân chia trong việc sử dụng chúng làm hóa chất xử lý và hóa chất hoạt động. Năm 1948, lớp vật liệu dẫn điện này (1-butylpyridinium clorua / AlCl₃) lần đầu tiên thu hút sự chú ý cho việc sử dụng chúng làm chất điện giải cho việc điện phân của nhôm.^{Năm 2} , lĩnh vực này vẫn là chủ đề của những nỗ lực nghiên cứu hiện tại. Các ứng dụng quan trọng khác trong bối cảnh này là việc sử dụng chúng làm chất điện phân cho pin và pin nhiên liệu.

Bước đột phá lớn đến với sự ra đời của vật liệu ít ăn mòn, ổn định không khí vào năm 1992. Wilkes và Zaworotko đã giới thiệu 1-ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate và tập trung vào các ứng dụng dung môi.³ Mặc dù 1-butyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate và -tetrafluoroboroborate vẫn chiếm ưu thế trong các tài liệu hiện tại, có những lựa chọn tốt hơn về hiệu suất và xử lý. Nó đã được chứng minh trong môi trường nước anion hexafluorophosphate và anion tetrafluoroborate sẽ bị suy giảm, dẫn đến sự hình thành HF, một axit độc hại và tích cực.

Các ứng dụng thú vị khác đã được đề xuất, bắt nguồn từ sự kết hợp duy nhất của các tính chất vật lý. Ví dụ, việc sử dụng các chất lỏng ion làm chất lỏng nhiệt kết hợp khả năng nhiệt của chúng với sự ổn định nhiệt và áp suất hơi không đáng kể. Rất khả thi để mong đợi rằng nhiều ứng dụng khác sẽ được đưa ra bởi người dùng tiềm năng và một số trong số họ sẽ được thực hiện trong tương lai. Để cho phép người dùng tiềm năng sử dụng chất lỏng ion, cần phải hỗ trợ công nghệ và cung cấp một loạt các chất lỏng ion để thử nghiệm. Sự hỗ trợ này cũng bao gồm sự phát triển của dữ liệu độc tính và thông báo cần thiết của chính phủ cũng như việc thực hiện các khái niệm tái chế cho chất lỏng ion.

Tài liệu tham khảo

1. Wang H, Lu Q, Ye C, Liu W, Cui Z. 2004. Friction and wear behaviors of ionic liquid of alkylimidazolium hexafluorophosphates as lubricants for steel/steel contact. Wear. 256(1-2):44-48. https://doi.org/10.1016/s0043-1648(03)00255-2

2. Artificial Muscles: Potential application, personal note.

3. Armstrong DW, Zhang L, He L, Gross ML. 2001. Ionic Liquids as Matrixes for Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization Mass Spectrometry. Anal. Chem.. 73(15):3679-3686. https://doi.org/10.1021/ac010259f

4. Andre M, Loidl J, Laus G, Schottenberger H, Bentivoglio G, Wurst K, Ongania K. 2005. Ionic Liquids as Advantageous Solvents for Headspace Gas Chromatography of Compounds with Low Vapor Pressure. Anal. Chem.. 77(2):702-705. https://doi.org/10.1021/ac048737k

5. Protein-Crystallization: Ionic Liquids Technologies, Patent pending.

6. Moriguchi T, Yanagi T, Kunimori M, Wada T, Sekine M. 2000. Synthesis and Properties of Aminoacylamido-AMP:  Chemical Optimization for the Construction of anN-Acyl Phosphoramidate Linkage. J. Org. Chem.. 65(24):8229-8238. https://doi.org/10.1021/jo0008338

7. Hayakawa Y, Kawai R, Hirata A, Sugimoto J, Kataoka M, Sakakura A, Hirose M, Noyori R. 2001. Acid/Azole Complexes as Highly Effective Promoters in the Synthesis of DNA and RNA Oligomers via the Phosphoramidite Method. J. Am. Chem. Soc.. 123(34):8165-8176. https://doi.org/10.1021/ja010078v

8. Eckstein M, Villela Filho M, Liese A, Kragl U. 2004. Use of an ionic liquid in a two-phase system to improve an alcohol dehydrogenase catalysed reductionElectronic supplementary information (ESI) available: experimental section. See http://www.rsc.org/suppdata/cc/b4/b401065e/. Chem. Commun..(9):1084. https://doi.org/10.1039/b401065e

9. Liu Y, Wang M, Li J, Li Z, He P, Liu H, Li J. Highly active horseradish peroxidase immobilized in 1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate room-temperature ionic liquid based sol?gel host materials. Chem. Commun..(13):1778-1780. https://doi.org/10.1039/b417680d

10. Wasserscheid P, Welton T. 2003. Ionic Liquids in Synthesis. Weinheim: Wiley-VCH.

11. Bösmann A, Datsevich L, Jess A, Lauter A, Schmitz C, Wasserscheid P. 2001. Chem. Commun..(23):2494-2495. https://doi.org/10.1039/b108411a

12. Nakashima K, Kubota F, Maruyama T, Goto M. 2003. Chem. Mater.. 15.1825–1829.

13. Zhou Y, Antonietti M. 2004. A Series of Highly Ordered, Super-Microporous, Lamellar Silicas Prepared by Nanocasting with Ionic Liquids. Chem. Mater.. 16(3):544-550. https://doi.org/10.1021/cm034442w

14. Holbrey JD, Seddon KR. 1999. The phase behaviour of 1-alkyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborates; ionic liquids and ionic liquid crystals. J. Chem. Soc., Dalton Trans..(13):2133-2140. https://doi.org/10.1039/a902818h

15. Haristoy D, Tsiourvas D. 2003. Novel Ionic Liquid-Crystalline Compounds Bearing Oxadiazole and Pyridinium Moieties as Prospective Materials for Optoelectronic Applications. Chem. Mater.. 15(10):2079-2083. https://doi.org/10.1021/cm021365g

16. Wu B, Reddy RG, Rogers RD. 2001. Proceedings of Solar Forum 2001.. Solar Energy: The Power to Choose; Washington DC ASME.

17. Ionic Liquids Technologies GmbH & Co. KG. [Internet]. Available from: https://iolitec.de/en

18. Yanes EG, Gratz SR, Baldwin MJ, Robison SE, Stalcup AM. 2001. Capillary Electrophoretic Application of 1-Alkyl-3-methylimidazolium-Based Ionic Liquids. Anal. Chem.. 73(16):3838-3844. https://doi.org/10.1021/ac010263r

19. Ionic Liquids Technologies GmbH & Co. KG. [Internet]. Available from: https://iolitec.de/en

20. Zell CA, Freyland W. 2003. In Situ STM and STS Study of Co and Co?Al Alloy Electrodeposition from an Ionic Liquid. Langmuir. 19(18):7445-7450. https://doi.org/10.1021/la030031i

21. Scheeren CW, Machado G, Dupont J, Fichtner PFP, Texeira SR. 2003. Nanoscale Pt(0) Particles Prepared in Imidazolium Room Temperature Ionic Liquids:  Synthesis from an Organometallic Precursor, Characterization, and Catalytic Properties in Hydrogenation Reactions. Inorg. Chem.. 42(15):4738-4742. https://doi.org/10.1021/ic034453r

22. He L, Zhang W, Zhao L, Liu X, Jiang S. 2003. Effect of 1-alkyl-3-methylimidazolium-based ionic liquids as the eluent on the separation of ephedrines by liquid chromatography. Journal of Chromatography A. 1007(1-2):39-45. https://doi.org/10.1016/s0021-9673(03)00987-7

23. SCOVAZZO P, KIEFT J, FINAN D, KOVAL C, DUBOIS D, NOBLE R. 2004. Gas separations using non-hexafluorophosphate [PF6]? anion supported ionic liquid membranes. Journal of Membrane Science. 238(1-2):57-63. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2004.02.033

24. Jork C, Seiler M, Beste Y, Arlt W. 2004. Influence of Ionic Liquids on the Phase Behavior of Aqueous Azeotropic Systems. J. Chem. Eng. Data. 49(4):852-857. https://doi.org/10.1021/je034183r

25. Uerdingen M. 2004. Entschwefelung von Dieselkraftstoff. Chemie in unserer Zeit. 38(3):212-213. https://doi.org/10.1002/ciuz.200490048

26. 2002. Branco, L. C.; Crespo, J. G.; Afonso, C. A. M. Angew. Chem.. 1042895–2897.

27. Fortunato R, Afonso CA, Reis M, Crespo JG. 2004. Supported liquid membranes using ionic liquids: study of stability and transport mechanisms. Journal of Membrane Science. 242(1-2):197-209. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2003.07.028

28. Hurley FH. 1944. Electrodeposition of aluminum. [dissertation]. US patent-US2446331A.

29. Wier JTP, Hurley FH. 1944. Electrodeposition of aluminum. [dissertation]. US patent-US2446349A.

30. Wier JTP. 1944. Electrodeposition of aluminum. [dissertation]. US patent-US2446350A.

31. Wilkes JS, Zaworotko MJ. 1992. Air and water stable 1-ethyl-3-methylimidazolium based ionic liquids. J. Chem. Soc., Chem. Commun..(13):965. https://doi.org/10.1039/c39920000965