楊 沫，李 蕾，田 鵬

(沈陽師范大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院 能源與環(huán)境催化研究所，遼寧 沈陽 110034)

離子液體的應(yīng)用研究

楊 沫，李 蕾，田 鵬*

(沈陽師范大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院 能源與環(huán)境催化研究所，遼寧 沈陽 110034)

離子液體作為一種理想的“綠色溶劑”有著廣闊的前景。本文主要介紹了目前離子液體的種類和離子液體在萃取分離、有機(jī)合成、材料領(lǐng)域以及天然高分子中的應(yīng)用。為今后離子液體的研究奠定了基礎(chǔ)。

離子液體；萃取分離；有機(jī)合成；天然高分子

隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，化學(xué)工業(yè)也為人們的生活生產(chǎn)帶來了日新月異的變化。然而一味的追求發(fā)展進(jìn)步，忽略的環(huán)境保護(hù)的重要性，很多環(huán)境問題也相繼出現(xiàn)。目前各種污染嚴(yán)重，清潔的環(huán)境已經(jīng)面臨了巨大的挑戰(zhàn)。人們的環(huán)保意識也得到的提高。不斷地治理污染并不是長久之計(jì)。要從根本上解決問題的關(guān)鍵，在化學(xué)領(lǐng)域也是如此。由于目前環(huán)境污染嚴(yán)重，化學(xué)生產(chǎn)中研發(fā)綠色環(huán)保的新型溶劑已經(jīng)是迫在眉睫。在發(fā)展綠色化學(xué)的前提下，離子液體全面的發(fā)展起來。離子液體擁有無毒、無污染[1]等獨(dú)特性質(zhì)，已經(jīng)成為世界各國研究和開發(fā)的前沿領(lǐng)域。近年來我國關(guān)于離子液體的研究和其應(yīng)用也日趨活躍并取得了一些進(jìn)展，我國的科研人員發(fā)表的關(guān)于離子液體的文章已經(jīng)躋居世界排名第二。國內(nèi)也有了一些可以大規(guī)模生產(chǎn)離子液體的公司。離子液體正在走向規(guī)模試驗(yàn)之中，實(shí)現(xiàn)工業(yè)化也是指日可待。室溫離子液體，又稱離子液體(ionic liquids，ILs)，是在室溫或接近室溫狀態(tài)時(shí)，各個粒子完全以有機(jī)陽離子和無機(jī)或有機(jī)陰離子構(gòu)成的液體[2]。離子液體和傳統(tǒng)離子化合物不同，傳統(tǒng)離子化合物在常溫時(shí)大多為固體，固態(tài)轉(zhuǎn)化為液態(tài)通常需要很高的溫度才能實(shí)現(xiàn)。離子液體是一種新型溶劑，具有很多優(yōu)良的特性：通常狀況下離子液體的蒸氣壓為零，并且不易揮發(fā)；有較穩(wěn)定的較寬的電化學(xué)電位窗口和較好的化學(xué)穩(wěn)定性[3]；具有很好的熱穩(wěn)定性、較大的黏度和密度大[4]。

1 離子液體的種類及其分類

進(jìn)入21世紀(jì)，離子液體的發(fā)展也進(jìn)入了一個新的階段。新型離子液體不斷地出現(xiàn)，對于離子液體的研究也逐漸轉(zhuǎn)向?qū)τ谄涔δ艿难芯?。設(shè)計(jì)具有特定功能的離子液體具有重要的意義。近年來離子液體迅速發(fā)展，陰陽離子組合多變，使離子液體的種類繁多，對其分類大致有兩種方式。分別是以陽離子為區(qū)分和以陰離子為區(qū)分。按組成離子液體的陽離子區(qū)分離子液體常見的有四類[5]：吡啶類離子液體、咪唑類離子液體、季銨類離子液體、季鏻類離子液體。按組成離子液體陰離子區(qū)分常見的有為兩類：鹵化鹽和新型離子液體[6]。

2 離子液體在萃取分離中的應(yīng)用

離子液體在萃取上的應(yīng)用還僅是最初階段，可以通過改變組成離子液體的陰陽離子來設(shè)計(jì)為我們所用的離子液體[7]，因此，離子液體的可設(shè)計(jì)性和種類繁多的特點(diǎn)又非常有利于分離過程的需要，除此之外，離子液體的揮發(fā)性極低，溶解性極低，從而可以取代一些類似性質(zhì)的有機(jī)溶劑，從經(jīng)濟(jì)角度和環(huán)保角度看，離子液體都是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展不可缺少的溶劑，從而實(shí)現(xiàn)綠色化學(xué)，友好化學(xué)。從離子液體的角度來說，它的萃取效應(yīng)和通常用的萃取劑很類似，萃取分配行為也受酸堿性影響，這對于一步萃取之后再進(jìn)行的反萃取很有好處，因此可以結(jié)合溶劑的萃取分離技術(shù)，從而是傳統(tǒng)的萃取分離技術(shù)更加穩(wěn)定，更加可靠，更加高效[8]。

3 離子液體在有機(jī)合成反應(yīng)和材料方面的應(yīng)用

在有機(jī)合成反應(yīng)中的大部分溶劑都是有揮發(fā)性的有毒溶劑，給環(huán)境帶來了很多污染。離子液體有非揮發(fā)性和無毒的優(yōu)良特性，安全無污染。在有機(jī)合成反應(yīng)中，離子液體可以作為溶劑和催化劑，正在廣泛的應(yīng)用之中。隨著科技的迅速發(fā)展，納米材料走進(jìn)人們的生產(chǎn)生活。在納米材料的制備方面，離子液體有一定的應(yīng)用。離子液體能夠使得納米粒子穩(wěn)定的存在，不發(fā)生聚團(tuán)。并且在一些特殊的反應(yīng)中，離子液體可以起到催化劑的作用。由于離子液體擁有良好的物理性質(zhì)，如良好的導(dǎo)電性，使離子液體在電化學(xué)沉積金屬材料方面表現(xiàn)出了卓越的優(yōu)勢可以利用離子液體的多樣性，制備形態(tài)和結(jié)構(gòu)多樣的納米材料[9]。在未來離子液體將為納米材料的制備提供更多更新的有效途徑。

4 離子液體在天然高分子中的應(yīng)用

20世紀(jì)以來，高分子材料的出現(xiàn)極大的改善了我們的生活，目前高分子產(chǎn)品中最主要，合成最廣泛的離子是塑料[8]，用途和我們?nèi)祟惖囊率匙⌒忻芮邢嚓P(guān)，也是目前四大支柱材料之一，但是目前合成有機(jī)高分子材料的資源，比如說化石資源，包括煤、石油、天然氣逐級趨于枯竭，使目前高分子材料的合成受到了前所未有的挑戰(zhàn)。而且這些有機(jī)高分子材料在丟棄的時(shí)候很難處理再循環(huán)，難降解，造成了環(huán)境的污染。全球性的環(huán)境問題和能源的枯竭正迫使人類重新選擇有機(jī)高分子材料的合成，目標(biāo)是使用的原料為可再生的能源并且產(chǎn)品可降解。

目前人們關(guān)注的原料是存在于動物、植物和微生物的大分子有機(jī)化合物，即天然高分子。類型主要包括纖維素、淀粉、甲殼質(zhì)/殼聚糖、蛋白質(zhì)等。以天然高分子為原料可以制備各種形式、不同用途的材料，當(dāng)今社會許多領(lǐng)域都取得了應(yīng)用。這類天然高分子，在自然環(huán)境中儲藏量大，來源也非常豐富，主要的是可再生資源。產(chǎn)品又可以得到降解，安全，沒有毒害?；谶@些優(yōu)點(diǎn)，天然高分子受到人類越來越多的重視。

離子液體在天然高分子中的引用最初是對小分子糖類有溶解的作用，后來發(fā)現(xiàn)對淀粉等大分子也有溶解的作用，直到美國阿拉巴馬大學(xué)的Rogers教授發(fā)現(xiàn)離子液體還可以溶解纖維素[10]，從此之后，離子液體在天然高分子中的應(yīng)用才受到人們越來越多的關(guān)注。離子液體對于纖維素溶解的優(yōu)越性足以彌補(bǔ)纖維素溶解還存在的缺憾。

4.1 離子液體在纖維素中的應(yīng)用

自然界中儲存含量最大的天然高分子是纖維素，并且可以迅速再生，天然的有機(jī)高分子纖維素還存在許多優(yōu)點(diǎn)，比如容易降解，沒有污染，易于改性 ，目前纖維素的應(yīng)用已經(jīng)擴(kuò)展到人類生活的各個領(lǐng)域，并且是未來化學(xué)，化工生產(chǎn)的重要原料。纖維素的廣泛應(yīng)用可以起到改善人類的生活和飲食，并且對于新能源的開發(fā)和新型材料的開發(fā)都起到重要的作用。

在1934年，人們就發(fā)現(xiàn)N-乙基吡啶氯鹽可以溶解纖維素，但是這時(shí)候人們的認(rèn)識還較淺，認(rèn)為溶解能力一般，沒有受到化學(xué)家的重視，在以后的發(fā)展中，人們逐漸發(fā)現(xiàn)離子液體具有很好的溶解性，對于這種溶解的機(jī)理，一般認(rèn)為是通過離子液體和纖維素大分子間的相互作用，破壞纖維素分子鏈間和分子鏈內(nèi)存在大量氫鍵是使纖維素溶解最基本的原因。除此之外，還有離子液體陽離子種類對纖維素大分子的影響。

4.2 離子液體在淀粉和甲殼素/殼聚糖中的應(yīng)用

淀粉是人類飲食中的一類重要的營養(yǎng)元素，而且是可以降解的天然分子，淀粉分子本身存在自由羥基，分子內(nèi)和分子間也形成了很強(qiáng)的氫鍵，為了克服淀粉很差的物理性，幾乎不能加工成材料的缺點(diǎn)，使淀粉具有可加工的性質(zhì)，必須削弱大分子內(nèi)和分子間的氫鍵作用力，為了達(dá)到這個目的，必須對淀粉進(jìn)行改性，通常采用的方法是淀粉的酯化反應(yīng)，這樣可以提高熱穩(wěn)定性[11]，不過這種方法很困難，因此，人們又開始想對淀粉進(jìn)行凝膠化預(yù)處理，由于溶劑具有污染，所以改進(jìn)起來還是很復(fù)雜。從理論上說，離子液體可以溶解纖維素，因此可以溶解淀粉，通過研究表明，離子液體確實(shí)對淀粉有一定的溶解能力 。

甲殼素或殼聚糖也是在地球上儲量很廣泛的有機(jī)高分子材料，儲量僅次于纖維素，想利用這種含量廣泛的有機(jī)高分子材料，選擇溶劑也是非常必要的，可以溶解甲殼素或殼聚糖的溶劑也是十分有限，因此猜想離子液體在溶解甲殼素或者殼聚素領(lǐng)域也有一定應(yīng)用。

致謝：遼寧省高校重大科技平臺“能源與環(huán)境催化工程技術(shù)研究中心”。

[1] Welton T.Room-temperature ionic liquids solvents for synthesis and catalysis[J].Chem Rev, 1999,99 (8) :2071-2083.

[2] 李汝雄.綠色溶劑: 離子液體的合成與應(yīng)用[M].北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2004.

[3] 張 慧,劉 秀,朱巖琪,等.介孔硅修飾碳糊電極制備及其對DA、UA、AA混合樣品的電化學(xué)響應(yīng)[J].沈陽師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2016,34(3):276-281.

[4] Tamar L G,Asoka W,Celesta F,et al.Protic ionic liquids: solvents with tunable phase behavior and physicochemical properties[J].Phys Chem B,2006,110(45): 22479-22487.

[5] 張英鋒,李長江,包富山,等.離子液體的分類、合成與應(yīng)用[J].化學(xué)教育,2005(2): 7-12.

[6] 張鎖江,劉曉敏,姚曉倩,等.離子液體的前沿、進(jìn)展及應(yīng)用[J].中國科學(xué),2009,39(8):1134-1144.

[7] Stepnowski P.Solid-phase extraction of room-temperature imidazolium ionic liquids from aqueous environmengtal samples[J].Anal Bioanaly Chem,2005,381(1):189-193.

[8] Swatloski R P,Spear S K,Holbrey J D,et al.Dissolution of cellulose with ionic liquids[J].J Am Chem Soc,2002,124:4974-4975.

[9] Visser A E,Rogers R D.Room-temperature ionic liquids:New solvents for f-element separations and associated solution chemistry[J].Solid State Chem,2003,171(1-2):109-113.

[10] 高 潔，湯烈貴.纖維素科學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，1996.

[11] 陳曉偉，包宗宏.室溫離子液體的應(yīng)用進(jìn)展[J].精細(xì)石油化工,2006(2): 60-64.

(本文文獻(xiàn)格式：楊 沫，李 蕾，田 鵬.離子液體的應(yīng)用研究[J].山東化工,2017,46(7):85-86.)

Study on the Application of Ionic Liquids

YangMo，LiLei，TianPeng*

(College of Chemistry and Chemical Engineering,Institute of Catalysis for Energy and Environment,Shenyang Normal University, Shenyang 110034,China)

Ionic liquids as a kind of ideal “green solvent” has a broad prospect. This paper mainly introduces the types of ionic liquids and the application of ionic liquids in the separation, organic synthesis, materials and natural polymers.It lays a foundation for the research of ionic liquids in the future.

ionic liquids; extraction separation;organic synthesis;natural polymer

2017-03-07

遼寧省自然科學(xué)基金(項(xiàng)目批準(zhǔn)號：2015020241)；沈陽師范大學(xué)重大孵化項(xiàng)目(項(xiàng)目批準(zhǔn)號：ZD201406)；沈陽師范大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(項(xiàng)目批準(zhǔn)號：201610166200036)

楊 沫(1991—)，女，遼寧葫蘆島人，沈陽師范大學(xué)碩士研究生；通訊作者：田 鵬(1967-)，男，遼寧沈陽人，教授，博士，碩士研究生導(dǎo)師。

TQ413.2

A

1008-021X(2017)07-0085-02