《季铵盐离子液体》PPT课件.ppt

季铵盐离子液体,1.离子液体概述2.季铵盐离子液体的合成3.季铵盐离子液体的应用4.结语,1.离子液体概述,1.1离子液体概念 离子液体是指在室温或接近室温下呈现液态的、完全由阴阳离子所组成的盐，也称为低温熔融盐。一般是由有机阳离子和无机阴离子组成。离子液体由于具有较宽的液态温度范围、良好的物理和化学稳定性、良好的溶解能力、较大的极性可调控性以及近似于零毒性等优越 特性，因而具有广阔的应用前景。,1.2.离子液体的分类,目前所研究的离子液体均是由阴阳离子共同组合而成的液态介质，其具体分类也可以按照阴阳离子的不同进行划分。根据组成离子液体的阳离子不同可以划分为四类，见表1;根据组成离子液体阴离子的不同可以分为两类，见表2.,1.3季铵盐离子液体,季铵盐又称四级铵盐，是铵离子中的四个氢原子都被烃基取代而生成的化合物，通式为R4NX,其中四个烃基R可以相同也可以不同。X多是卤素负离子（F-、Cl-、Br-、I-），也可以是酸根（如HSO4-、RCOO-等）。季铵盐与无机盐性质相似，易溶于水，水溶液能导电。,含氮的季铵盐离子液体主要有三类:（1）季铵离子NRxH4-x+；（2）咪唑离子及其衍生物R1R2im+或R1R2R3im+；（3）吡啶离子及其衍生物RPy+；,与季铵盐类阳离子复合的阴离子主要有两大类，一类是卤化盐，如AlCl3、AlBr3；一类是非卤化盐，如BF4-、PF6-，也有CF3COO-、C3F7COO-、CF3SO3-等。,2.季铵盐离子液体的合成,2.1传统合成方法一步合成法 一步合成法就是通过酸碱中和反应或季铵化反应一步合成离子液体，合成过程中无需加任何溶剂作为反应介质，对亲水性离子液体的分离提纯需用有机溶剂，且有机溶剂较易回收循环使用；对疏水性离子液体的分离提纯可以用水作溶剂。,两步合成法 对于一步合成法难以制得的离子液体，可以使用两步合成法。首先通过季铵化反应制备出含目标阳离子的卤盐，然后用目标阴离子置换卤离子或加入路易斯酸与之反应得到目标离子液体。反应如下图所示：,在第二步反应中，使用金属盐MY（常用的是AgY或NH4Y）时，产生AgX沉淀或NH3、HX气体而容易除去；加入强质子酸HY，反映要求在低温搅拌条件下进行，然后多次水洗至中性。用有机溶剂提取离子液体，最后真空除去有机溶剂得到纯净的离子液体。,应特别注意的是在用目标阴离子Y-交换X-阴离子的过程中，必须尽可能地使反应进行完全，确保没有X-阴离子留在目标离子液体中,因为离子液体的纯度对于其应用和物理化学特性有至关重要的作用。通常高纯度离子液体的合成可以在离子交换器中，利用离子交换树脂通过阴离子交换来制备。,2.2新型合成方法,超声波辅助合成法 超声波技术是指利用频率比人耳所能听到的频率范围更高(18kHz)的声波作为对象的生化学方法，超声波能减小悬浮于液体中粒子的尺寸，提高异相反映的速率。超声波辐射法具有操作简单、反应时间短、条件温和、副反应少、产率高等优点。,例如氯代1-丁基-3-甲基咪唑离子液(bmimCl)与NH4CF3SO3，NH4BF4，NH4PF6等盐的离子交换反应，相比于磁力搅拌所需要的58h,超声波作用只需1h,反应如下图：,微波辅助合成法,微波是一种强电磁波，在微波照射下能产生热力学方法得不到的高能态原子、分子和离子，可以迅速增加反应体系中自由基或碳阳离子的浓度。从能量角度分析，只要能瞬间提高反应物分子的能量，使体系中活化分子数增加，就有可能增加反应速率，缩短反应时间。,3.季铵盐离子液体的应用,3.1在有机合成反应中的应用 季铵盐离子液体在FriedelCrafts烷基化反应该反应是芳烃与卤代烃、醇类或烯烃类化合物在Lewis催化剂(如AlCl3、FeCl3、BF3、HF等)存在下，发生芳环取代的反应、Heck反应(是在烯烃和卤代芳烃或芳香酐在催化剂的作用下生成芳香烯烃的反应)、酯化反应、氧化反应以及聚合反应等有机合成反应中都有应用。,3.2在电化学方面的应用,以吡啶阳离子为基础的1,2-二甲基-4-氟吡啶-四氟硼酸季铵盐离子液体作为锂离子电池的电解液，热稳定温度在300，并在很宽的温度范围内和锂稳定共存，其电化学窗口约4.1V,氧化电位大于5V。实验表明，以此离子液体为电解液装配的LiMn2O4/Li电池，显示了大于96%的可逆性。,3.3在萃取分离中的应用,离子液体具有其独特的理化性能，非常适合作为分离提纯的溶剂。其在萃取分离上的应用又可分为三方面，即液-液、液-固、固-固萃取分离。刘庆芬等人以亲水性离子液体1-丁基-2-甲基咪唑四氟硼酸盐和NaH2PO42H2O水溶液形成的双水相体系为研究对象，考察了影响双水相形成的因素以及青霉素的萃取特性。实验结果表明：,离子液体双水相可以有效萃取青霉素，轻相中青霉素萃取率达93.7%。萃取率受成相盐浓度、初始青霉素浓度以及离子液体浓度的影响萃取的最佳参数NaH2PO42H2O的浓度为36-38%(质量分数)、青霉素浓度30mgmL-1、离子液体40-45%(体积分数)。,3.4在其他方面的应用,离子液体的湿润能力和粘度可使其成为气相色谱理想的固定液。作为气相色谱的固定相,离子液体表现出了双重性质，当分离的样品是中性或非极性时，离子液体的行为类似非极性固定相，保留因子小，但选择性好；当分离的样品是极性分子时，表现出强极性固定相，使样品在色谱柱上保留时间长。离子液体作为液相色谱流动相添加剂，能显著提高液相色谱的分离效果。,除此之外，离子液体所具备的独有特 性决定了它不应该拘泥于绿色溶剂方面的应用，它同时在新材料开发等领域有广泛的应用，如借助离子液体很高的热容量，将其用于吸热介质以促进太阳能的转化；增强薄膜的导电性；用于燃料电池的开发,作为热传导流体，用于燃煤发电过程的脱硫；以及作为电化学介质或酶的反应介质等。,4.结语,季铵盐离子液体作为一种新型的环保溶剂，为绿色化学增添了新的内容，为天然生物大分子的加工和利用提供了新的机遇，为催化领域提出了新的挑战。随着当代高新技术的蓬勃发展，离子液体必将在新材料的开发利用领域形成更多的经济增长点。然而季铵盐离子液体毕竟是一类“新化学品”，其基础理论和实验研究尚不够充分和深人。关于离子液体环境、安全和健康方面的评价和研究较为缺乏。离子液体的生产成本 高，也制约着离子液体的产业化应用。,在工程应用方面，离子液体尚存在稳定性、如何再生利用以及适合反应器设计等诸多问题。要实现离子液体在化学领域中的进一步广泛应用，有关离子液体的传质和传热规律等关键问题仍有待解决。,谢谢大家！,