离子液体及其在化学中的应用.doc

离子液体及其在化学中的应用 随着科技发展和环保意识的增强,清洁、低耗、高效的化学化工反应是发展的必然趋势.由于绝大多数化学反应需要在溶剂中进行,而有机溶剂的用量大、挥发性强是造成化学化工污染的主要原因之一.寻找对环境友好、有利于反应控制的介质和溶剂是目前化学化工需要解决的迫切问题之一.室温离子液体适应这种需要,正在快速为是继超临界CO2之后的新一代绿色溶剂。一 离子液体及其特点 离子液体1是指在室温或接近室温呈液态的离子型化合物,也称为低温熔融盐.常见的阳离子有季铵、季、咪唑盐和吡作为离子化合物,离子液体熔点较低的主要原因是:结构的不对称性使离子难以规则紧密地堆积,难以形成晶体或固体.与传统的溶剂相比,离子液体具有以下3个显著的特性: 1在室温下,离子液体蒸汽压几乎为零,并且不燃烧、不爆炸、毒性低,溶解性能强,可以较好地溶解多数有机物、无机物和金属配合物.多数离子液体在300e仍能保持液态,因而离子液体液态温度范围大,既可室温使用,也可以高温使用.离子液体作为溶剂,不仅不会造成溶剂损耗和环境污染,而且使 用温度范围大,适用范围广. 2)离子液体具有良好的导电性和较宽的电化学稳定电位窗.离子液体的电化学稳定电位窗比传统溶剂大得多,多数为4V左右,而水在酸性条件下为1.3V,在碱性条件下只有0.4V.因此使离子液体在电化学研究中有着广泛的用途. 3)离子液体具有可调节的酸碱性,作为反应介质使用极为方便.例如,将Lewis酸AlCl3加入到离子液体氯化1-丁基-3-甲基咪唑中,当AlCl3的摩尔分数x0.5时,体系表现强酸性4.同时,还发现离子液体存在/潜酸性0和/超酸性0.例如,把弱碱吡咯或N,N)二甲基苯胺加到中性的离子液体1-丁基-甲基咪唑四氯铝酸盐中,体系表现出很强的潜酸性5,如果把无机酸溶于上述离子液体中可观察到超强酸性6.二 离子液体在化学中的应用 由于离子液体所具有的独特性能,目前它被广泛应用于化学研究的各个领域中.1用作反应溶剂2.1.1氢化反应离子液体作为氢化反应的溶剂已有大量的报道79,对于氢化反应,用离子液体替代普通溶剂的优点是:反应速率提高数倍,离子液体和催化剂的混合液可以重复利用.研究表明,离子液体在氢化反应中发挥了溶剂和催化剂的双重作用. 离子液体可以溶解部分过渡金属,使用离子液体作为氢化反应的溶剂,容易形成均相反应体系.将离子液体应用于柴油的氢化反应(主要是针对其中含有的芳烃)时10,产品易分离、易纯化,极大地降低了对环境的影响.2.1.2傅-克反应傅-克反应对有机化工举足轻重,成熟的催化剂有沸石、固体酸和分子筛等.为了降低污染和生产成本,以离子液体为溶剂的傅-克反应已有报道11,12.Seddon10等在离子液体中研究了吲哚和2-萘酚的烷基化反应,操作简单、产品易于分离,区域选择性达到90%以上,而且溶剂可以回收利用,显示了离子液体作为烷基化反应的溶剂所具有的巨大优势.邓友全等11首次在超强酸性室温离子液体中(卤化1-烷基吡啶P1-甲基-3-烷基咪唑季铵盐P无水AlCl3)让几种烷烃与CO直接进行的羰基化反应,产物为酮2.1.3Heck反应烯烃和卤代芳烃或芳香族酸酐在催化剂(如金属钯)的作用下,生成芳香烯烃的反应称为Heck反应,是合成碳-碳键的重要反应.2000年,Vincenzo12等报道了在离子液体中进行的Heck反应,发现反应速率很快,收率达到90%以上;Seddon13等在三相体系(BMIM)PF6/水P己烷中进行的Heck反应,催化剂溶在离子液体中,可以循环使用.研究显示,离子液体应用于Heck反应中,可以较好地克服催化剂流失、溶剂挥发等传统问题 2.1.4Diels-Alder反应Diels-Alder反应是重要的有机化学反应.研究显示,在离子液体中进行的该反应不但反应速度快,反应产率高,反应的立体选择性好,而且离子液体可以回收重新使用.这说明,离子液体在Diels-Alder反应方面比普通溶剂具有更大的优势.人们对该反应的关注点不仅是速率和产率,更重要的是其立体选择性.如Howarth等14研究小组报道了在咪唑盐室温离子液体中环戊二烯与烯醛类物质反应进行的情况.研究发现,在离子液体中进行时该反应的立体选择较好,内外型产物的比例约为95:5. 2.1.5在不对称催化反应中的应用离子液体应用于不对称催化反应,对映体的选择性得到很大提高,而且产物易于分离.Mmonteiro等15将RuCl2-(S)-BINAP2#NEt3催化剂前体溶在离子液体BMIMBF4中对2-芳基丙烯酸进行催化氢化,对映选择性高于均相介质,氢化产物可以得到定量分离,回收的离子液体循环使用多次并不影响催化剂的活性和反应的选择性.ChenW.P.等16报道了在离子液体中进行不对称烯丙基烷基化反应 .3用于电化学研究由于离子液体具有导电性、难挥发、不燃烧、电化学稳定电位窗口比电解质水溶液大很多等特点,因此,将离子液体应用于电化学研究时可以减轻放电,作为电池电解质使用温度远远低于融盐,目前离子液体的应用比较广泛.例如,将离子液体应用于电化学电容器的电解液中19,20以及作为太阳能电池的电解液21等等3结束语 绿色化学是化学化工发展的方向.目前,全世界每年的有机溶剂消耗量达50亿美元,而且对环境造成巨大的威胁.随着人们生活质量的提高和环境意识的不断增强,在全世界范围内对绿色化学的呼声越来越高,离子液体则顺应了这一要求.离子液体的良好性能,使人类向绿色化学迈出了一大步.目前对于离子液体的研究中主要面临的问题是:1)如何降低离子液体的合成成本.据我们的估算,目前离子液体的合