Iontová kapalina - Ionic liquid

Chemická struktura hexafluorofosfátu 1-butyl-3-methylimidazolium ([BMIM] PF 6 ), běžné iontové kapaliny.
Navrhovaná struktura iontové kapaliny na bázi imidazolium.

Iontová kapalina ( IL ) je sůl v kapalném stavu. V některých kontextech byl termín omezen na soli, jejichž teplota tání je nižší než libovolná teplota, například 100 ° C (212 ° F). Zatímco běžné kapaliny, jako je voda a benzín, jsou převážně vyrobeny z elektricky neutrálních molekul , iontové kapaliny jsou z velké části vyrobeny z iontů . Tyto látky se různě nazývají tekuté elektrolyty , iontové taveniny , iontové tekutiny , tavené soli , kapalné soli nebo iontová skla .

Iontové kapaliny mají mnoho potenciálních aplikací. Jsou to silná rozpouštědla a lze je použít jako elektrolyty . Soli, které jsou kapalné při teplotě blízké okolní teplotě, jsou důležité pro aplikace s elektrickými bateriemi a byly považovány za tmely kvůli jejich velmi nízkému tlaku par .

Jakákoli sůl, která taje bez rozkladu nebo odpařování, obvykle poskytuje iontovou kapalinu. Chlorid sodný (NaCl) například taje při 801 ° C (1474 ° F) na kapalinu, která se skládá převážně ze sodných kationtů ( Na+
) a chloridové anionty ( Cl-
). Naopak, když se iontová kapalina ochladí, často vytvoří iontovou pevnou látku - která může být buď krystalická nebo sklovitá .

Iontová vazba je obvykle silnější než Van der Waals síly mezi molekulami běžných kapalin. Kvůli těmto silným interakcím mají soli obvykle vysokou energii mřížky , která se projevuje vysokými teplotami tání. Některé soli, zejména ty s organickými kationty, mají nízké mřížkové energie, a proto jsou kapalné při pokojové teplotě nebo pod ní . Příklady zahrnují sloučeniny na bázi kationtu 1-ethyl-3-methylimidazolium (EMIM) a zahrnují: EMIM: Cl , EMIMAc (acetátový anion), EMIM dikyanamid , ( C
2H
5) ( CH
3) C
3H
3N.+
2· N (CN)-
2, která taje při -21 ° C (-6 ° F); a 1-butyl-3,5-dimethylpyridiniumbromid, který se stane sklem pod -24 ° C (-11 ° F).

Nízkoteplotní iontové kapaliny lze přirovnat k iontovým roztokům , kapalinám, které obsahují ionty i neutrální molekuly, a zejména k takzvaným hlubokým eutektickým rozpouštědlům , směsím iontových a neiontových pevných látek, které mají mnohem nižší teploty tání než čisté sloučeniny. Některé směsi dusičnanových solí mohou mít teploty tání nižší než 100 ° C.

Termín „iontová kapalina“ v obecném smyslu byl použit již v roce 1943.

Když Tawny blázniví mravenci ( Nylanderia fulva ) bojují s mravenci ohnivými ( Solenopsis invicta ), postříkají je jedovatým, lipofilním jedem na bázi alkaloidů. Tawny bláznivý mravenec pak vyzařuje svůj vlastní jed, kyselinu mravenčí a ženichy s ním, což je akce, která de-toxifikuje jed mravenců ohnivých. Smíšené jedy spolu chemicky reagují za vzniku iontové kapaliny, první přirozeně se vyskytující IL, která bude popsána.

Dějiny

Datum objevení „první“ iontové kapaliny je sporné, stejně jako identita jejího objevitele. Ethanolamonium dusičnan (teplota tání 52–55 ° C) byl popsán v roce 1888 S. Gabriel a J. Weinerem. Jednou z prvních iontových kapalin při pokojové teplotě byl dusičnan ethylamonný ( C.
2H
5) NH+
3· NE-
3(teplota tání 12 ° C), ohlášený v roce 1914 Paulem Waldenem . V sedmdesátých a osmdesátých letech byly jako potenciální elektrolyty v bateriích vyvinuty iontové kapaliny na bázi alkylem substituovaných imidazolium a pyridiniových kationtů s halogenidovými nebo tetrahalogenoaluminátovými anionty.

U solí halogenid hlinitanu imidazoliu lze jejich fyzikální vlastnosti - například viskozitu , teplotu tání a kyselost - upravit změnou alkylových substituentů a poměrů imidazolium/pyridinium a halogenid/halogenaluminát. Dvě hlavní nevýhody některých aplikací byly citlivost na vlhkost a kyselost nebo zásaditost. V roce 1992 Wilkes a Zawarotko získali iontové kapaliny s „neutrálními“ slabě koordinujícími anionty, jako je hexafluorfosfát ( PF-
6) a tetrafluorborát ( BF-
4), což umožňuje mnohem širší škálu aplikací.

Ačkoli mnoho klasických IL jsou soli hexafluorfosfátu a tetrafluoroborátu, bistriflimidy [(CF
3TAK
2)
2N]-
 jsou také populární.

Charakteristika

Iontové kapaliny jsou často středně silnými až špatnými vodiči elektřiny, neionizující, vysoce viskózní a často vykazují nízký tlak par . Jejich další vlastnosti jsou rozmanité: mnohé mají nízkou hořlavost, jsou tepelně stabilní, mají široké kapalné oblasti a výhodné solvatační vlastnosti pro řadu polárních a nepolárních sloučenin. Mnoho tříd chemických reakcí , jako jsou Diels-Alderovy reakce a Friedel-Craftsovy reakce , lze provádět za použití iontových kapalin jako rozpouštědel. IL mohou sloužit jako rozpouštědla pro biokatalýzu . Mísitelnost iontových kapalin s vodou nebo organickými rozpouštědly se liší podle délky postranního řetězce na kationtu a podle volby aniontu . Mohou být funkcionalizovány tak, aby působily jako kyseliny , zásady nebo ligandy , a jsou prekurzorovými solemi při přípravě stabilních karbenů . Bylo zjištěno, že hydrolyzují. Kvůli svým charakteristickým vlastnostem byly iontové kapaliny zkoumány pro mnoho aplikací.

Kationty běžně se vyskytující v iontových kapalinách

Některé iontové kapaliny lze destilovat za vakua při teplotách blízkých 300 ° C. V původním díle Martyna Earleho a kol. Autoři mylně dospěli k závěru, že pára je tvořena jednotlivými, oddělenými ionty, ale později bylo prokázáno, že vytvořené páry sestávají z iontových párů. Některé iontové kapaliny (například dusičnan 1-butyl-3-methylimidazolium) vytvářejí při tepelném rozkladu hořlavé plyny. Tepelná stabilita a teplota tání závisí na složkách kapaliny. Tepelná stabilita iontových kapalin je <225 ° C.

Vlastnosti rozpustnosti IL jsou různé. Nasycené alifatické sloučeniny jsou obecně jen málo rozpustné v iontových kapalinách, zatímco alkeny vykazují poněkud větší rozpustnost a aldehydy mohou být zcela mísitelné. Rozdíly rozpustnosti lze využít při dvoufázové katalýze, jako je proces hydrogenace a uhlovodíku , což umožňuje relativně snadnou separaci produktů a/nebo nezreagovaného substrátu (substrátů). Rozpustnost v plynu sleduje stejný trend, přičemž plynný oxid uhličitý vykazuje dobrou rozpustnost v mnoha iontových kapalinách. Oxid uhelnatý je v iontových kapalinách méně rozpustný než v mnoha populárních organických rozpouštědlech a vodík je jen málo rozpustný (podobný rozpustnosti ve vodě) a mezi běžnějšími iontovými kapalinami se může relativně málo lišit.

Některé IL nezmrazují až na velmi nízké teploty (dokonce –150 ° C). Teplota skelného přechodu byla detekována pod -100 ° C v případě iontových kapalin s N-methyl-N-alkylpyrrolidiniovými kationty a fluorosulfonyl-trifluormethansulfonylimidem (FTFSI) ).

Voda je běžnou nečistotou v iontových kapalinách, protože může být absorbována z atmosféry a ovlivňuje transportní vlastnosti RTIL, a to i při relativně nízkých koncentracích.

Odrůdy

Stolní sůl NaCl a iontový kapalný 1-butyl-3-methylimidazolium bis (trifluormethylsulfonyl) imid při 27 ° С

RTIL při pokojové teplotě

Kationty

Iontové kapaliny pokojové teploty (RTIL) sestávají ze solí odvozených od 1-methylimidazolu, tj. 1-alkyl-3-methylimidazolium. Mezi příklady patří 1-ethyl-3-methyl- (EMIM), 1-butyl-3-methyl- (BMIM), 1-oktyl-3 methyl (OMIM), 1-decyl-3-methyl- (DMIM), 1- dodecyl-3-methyl-docecylMIM). Dalšími imidazolovými kationty jsou 1-butyl-2,3-dimethylimidazolium (DBMIM), 1,3-di (N, N-dimethylaminoethyl) -2-methylimidazolium (DAMI) a 1-butyl-2,3-dimethylimidazolium (BMMIM) . Další N-heterocyklické kationty jsou odvozeny od pyridinu : 4-methyl-N-butylpyridinium (MBPy) a N-oktylpyridinium (C8Py). Konvenční kvartérní amoniové kationty také tvoří IL, např. Tetraethylamonium (TEA) a tetrabutylamonium (TBA) .

Fosfoniové kationty (R 4 P + ) jsou méně časté, ale nabízejí některé výhodné vlastnosti.

Anionty

Mezi typické anionty v iontových kapalinách patří následující: tetrafluoroboritan (BF 4 ) , hexafluorfosfát (PF 6 ) , bis-trifluormethansulfonimid (NTf 2 )

Nízkoteplotní odrůdy

Nízkoteplotní iontové kapaliny (pod 130  K ) byly navrženy jako tekutinová základna pro extrémně velký průměr spřádacího teleskopu s kapalinovým zrcadlem, který bude založen na Měsíci. Nízká teplota je výhodná při zobrazování dlouhovlnného infračerveného světla , což je forma světla (extrémně červeně posunutého ), které přichází z nejvzdálenějších částí viditelného vesmíru. Taková kapalná báze by byla pokryta tenkým kovovým filmem, který tvoří odrazný povrch. Nízká těkavost je důležitá v podmínkách měsíčního vakua, aby se zabránilo odpařování.

Protické iontové kapaliny

Protické iontové kapaliny se tvoří přenosem protonů z kyseliny na zásadu . Na rozdíl od jiných iontových kapalin, které se obecně tvoří sekvencí syntézních kroků, lze protické iontové kapaliny vytvářet snadněji smícháním kyseliny a zásady.

Poly (iontová kapalina) s

Polymerizované iontové kapaliny, poly (iontové kapaliny) nebo polymerní iontové kapaliny, všechny zkráceně PIL je polymerní forma iontových kapalin. Mají polovinu ionicity iontových kapalin, protože jeden ion je fixován jako polymerní část za vzniku polymerního řetězce. PIL mají podobný rozsah aplikací, srovnatelný s aplikacemi iontových kapalin, ale polymerová architektura poskytuje větší šanci pro ovládání iontové vodivosti. Rozšířili aplikace iontových kapalin pro navrhování chytrých materiálů nebo pevných elektrolytů.

Magnetické iontové kapaliny

Magnetické iontové kapaliny lze syntetizovat začleněním paramagnetických prvků do molekul iontových kapalin. Jedním příkladem je 1-butyl-3-methylimidazolium tetrachloroferát .

Komerční aplikace

Zvažovalo se mnoho aplikací, ale pouze jedna je komerčně dostupná. IL se používají při výrobě benzínu katalyzováním alkylace .

IL-katalyzovaná cesta k 2,4-dimethylpentanu (benzínová složka), jak ji praktikuje Chevron.

IL založený na tetraalkyl fosfonium jodid je rozpouštědlo pro tributylcínu jodid, který působí jako katalyzátor pro změnu uspořádání monoepoxidu z butadienu . Tento proces byl komercializován jako cesta k 2,5-dihydrofuranu , ale později byl přerušen.

Potenciální aplikace

Katalýza

IL zlepšují katalytický výkon nanočástic palladia. Kromě toho mohou být pro chemické transformace použity předkatalyzátory iontové kapaliny. V tomto ohledu byly použity dialkylimidazolium, jako je [EMIM] Ac, v kombinaci s bází pro generování N-heterocyklických karbenů (NHC). Tyto NHC na bázi imidazolium jsou známé tím, že katalyzují řadu transformací, jako je benzoinová kondenzace a reakce OTHO.

Farmaceutický průmysl

Vzhledem k tomu, že přibližně 50% komerčních léčiv jsou soli, byly zkoumány iontové kapalné formy řady léčiv. Kombinace farmaceuticky aktivního kationtu s farmaceuticky aktivním aniontem vede k duální aktivní iontové kapalině, ve které jsou kombinovány účinky dvou léčiv.

IL mohou extrahovat specifické sloučeniny z rostlin pro farmaceutické, nutriční a kosmetické aplikace, jako je antimalarický lék artemisinin z rostliny Artemisia annua .

Zpracování biopolymeru

Rozpuštění celulózy ILs vzbudilo zájem. Patentová přihláška z roku 1930 ukázala, že 1-alkylpyridiniumchloridy rozpouštějí celulózu. Po stopách lyocelového procesu, který používá hydratovaný N-methylmorfolin N-oxid , jako nevodné rozpouštědlo pro rozpouštění buničiny a papíru. Bylo studováno rozpouštění materiálů na bázi celulózy, jako je odpad z hedvábného papíru , generovaných v chemickém průmyslu a ve výzkumných laboratořích, při pokojové teplotě IL 1-butyl-3-methylimidazolium chlorid, bmimCl a získávání cenných sloučenin elektrolytickým nanášením z této celulózové matrice. „Valorizace“ celulózy, tj. Její přeměna na hodnotnější chemikálie, bylo dosaženo použitím iontových kapalin. Reprezentativními produkty jsou estery glukózy, sorbitol a alkylgykosidy. IL 1-butyl-3-methylimidazoliumchlorid rozpouští lyofilizovanou banánovou dužinu a s přídavkem 15% dimethylsulfoxidu se hodí k analýze Carbon-13 NMR . Tímto způsobem lze celý komplex škrobu , sacharózy , glukózy a fruktózy monitorovat jako funkci dozrávání banánů.

Kromě celulózy vykazovaly IL také potenciál v rozpouštění, extrakci, čištění, zpracování a modifikaci jiných biopolymerů, jako je chitin / chitosan , škrob , alginát , kolagen, želatina , keratin a fibroin . IL například umožňují přípravu biopolymerních materiálů v různých formách (např. Houby, filmy, mikročástice, nanočástice a aerogely) a lepší chemické reakce biopolymerů, které vedou k nosičům léčiv/genů dodávajících léčivo na bázi biopolymeru. IL navíc umožňují syntézu chemicky modifikovaných škrobů s vysokou účinností a stupni substituce (DS) a vývoj různých materiálů na bázi škrobu, jako je termoplastický škrob, kompozitní filmy, elektrolyty pevných polymerů, nanočástice a nosiče léčiv.

Přepracování jaderného paliva

IL 1-butyl-3-methylimidazoliumchlorid byl zkoumán za účelem získání uranu a dalších kovů z vyhořelého jaderného paliva a dalších zdrojů. Protonovaný betain bis (trifluormethansulfonyl) imid byl zkoumán jako rozpouštědlo pro oxidy uranu. Iontové kapaliny, N-butyl-N-methylpyrrolidinium bis (trifluormethylsulfonyl) imid a N-methyl-N-propylpiperidinium bis (trifluormethylsulfonyl) imid, byly zkoumány pro elektrolytické pokovování europia a uranu.

Sluneční tepelná energie

IL jsou potenciálními médii pro přenos tepla a akumulací v solárních systémech tepelné energie . Soustředění solárních tepelných zařízení, jako jsou parabolické žlaby a solární energetické věže, soustředí sluneční energii na přijímač, který může generovat teploty kolem 600 ° C (1 112 ° F). Toto teplo pak může generovat elektřinu v páře nebo jiném cyklu. Pro pufrování během oblačnosti nebo pro umožnění generování přes noc lze energii ukládat zahříváním mezilehlé tekutiny. Ačkoli jsou dusičnanové soli médiem volby od začátku 80. let, zmrazují při 220 ° C (428 ° F), a proto vyžadují zahřívání, aby se zabránilo tuhnutí. Iontové kapaliny, jako je C.mim
4[ BF
4] mají příznivější teplotní rozsahy v kapalné fázi (-75 až 459 ° C), a proto by mohly být vynikajícími kapalnými tepelnými akumulačními médii a teplonosnými kapalinami.

Recyklace odpadu

IL mohou pomoci při recyklaci syntetického zboží, plastů a kovů. Nabízejí specifičnost potřebnou k oddělení podobných sloučenin od sebe, jako je separace polymerů v proudech plastového odpadu . Toho bylo dosaženo použitím procesů extrakce při nižších teplotách než u současných přístupů a mohlo by to pomoci zabránit spalování plastů nebo jejich ukládání na skládky.

Baterie

IL mohou nahradit vodu jako elektrolyt v kovových vzduchových bateriích . IL jsou atraktivní díky nízkému tlaku par. Kromě toho mají IL elektrochemické okno až do šesti voltů (oproti 1,23 pro vodu) podporující energeticky hustší kovy. Energetická hustota od 900 do 1600 watt-hodin na kilogram se jeví jako možná.

Disperzní prostředek

IL mohou působit jako dispergační činidla v barvách pro zlepšení vlastností povrchu, vzhledu a schnutí. ILs se používají k dispergování nanomateriálů v IOLITEC.

Zachycování uhlíku

Hlavní článek: Iontové kapaliny při zachycování uhlíku

IL a aminy byly zkoumány pro zachycování oxidu uhličitého CO
2a čištění zemního plynu .

Tribologie

V základních tribologických testech bylo prokázáno, že některé iontové kapaliny snižují tření a opotřebení a jejich polární povaha z nich dělá kandidátská maziva pro tribotronické aplikace. Zatímco relativně vysoké náklady na iontové kapaliny v současné době brání jejich použití jako čistých lubrikantů, přidání iontových kapalin v koncentracích pouhých 0,5% hmotnostních může významně změnit mazací výkon konvenčních základových olejů. Aktuální zaměření výzkumu je tedy na používání iontových kapalin jako přísad do mazacích olejů, často s motivací nahradit široce používaná, ekologicky škodlivá mazací aditiva . Nárokovaná ekologická výhoda iontových kapalin však byla opakovaně zpochybňována a musí být dosud prokázána z hlediska životního cyklu .

Bezpečnost

Nízká těkavost iontových kapalin účinně eliminuje hlavní cestu uvolňování a kontaminace životního prostředí.

Vodní toxicita iontových kapalin je stejně závažná nebo ještě závažnější než mnoho současných rozpouštědel.

Ultrazvuk může degradovat roztoky iontových kapalin na bázi imidazolium s peroxidem vodíku a kyselinou octovou na relativně neškodné sloučeniny.

I přes nízký tlak par je mnoho iontových kapalin hořlavých .

Viz také

Reference

externí odkazy