離子液體的應用研究

楊 沫，李 蕾，田 鵬

(沈陽師范大學 化學化工學院 能源與環境催化研究所，遼寧 沈陽 110034)

離子液體的應用研究

楊 沫，李 蕾，田 鵬*

(沈陽師范大學 化學化工學院 能源與環境催化研究所，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、有機合成、材料領域以及天然高分子中的應用。為今后離子液體的研究奠定了基礎。

離子液體；萃取分離；有機合成；天然高分子

隨著經濟的迅速發展，化學工業也為人們的生活生產帶來了日新月異的變化。然而一味的追求發展進步，忽略的環境保護的重要性，很多環境問題也相繼出現。目前各種污染嚴重，清潔的環境已經面臨了巨大的挑戰。人們的環保意識也得到的提高。不斷地治理污染并不是長久之計。要從根本上解決問題的關鍵，在化學領域也是如此。由于目前環境污染嚴重，化學生產中研發綠色環保的新型溶劑已經是迫在眉睫。在發展綠色化學的前提下，離子液體全面的發展起來。離子液體擁有無毒、無污染[1]等獨特性質，已經成為世界各國研究和開發的前沿領域。近年來我國關于離子液體的研究和其應用也日趨活躍并取得了一些進展，我國的科研人員發表的關于離子液體的文章已經躋居世界排名第二。國內也有了一些可以大規模生產離子液體的公司。離子液體正在走向規模試驗之中，實現工業化也是指日可待。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時，各個粒子完全以有機陽離子和無機或有機陰離子構成的液體[2]。離子液體和傳統離子化合物不同，傳統離子化合物在常溫時大多為固體，固態轉化為液態通常需要很高的溫度才能實現。離子液體是一種新型溶劑，具有很多優良的特性：通常狀況下離子液體的蒸氣壓為零，并且不易揮發；有較穩定的較寬的電化學電位窗口和較好的化學穩定性[3]；具有很好的熱穩定性、較大的黏度和密度大[4]。

1 離子液體的種類及其分類

進入21世紀，離子液體的發展也進入了一個新的階段。新型離子液體不斷地出現，對于離子液體的研究也逐漸轉向對于其功能的研究。設計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分和以陰離子為區分。按組成離子液體的陽離子區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用

離子液體在萃取上的應用還僅是最初階段，可以通過改變組成離子液體的陰陽離子來設計為我們所用的離子液體[7]，因此，離子液體的可設計性和種類繁多的特點又非常有利于分離過程的需要，除此之外，離子液體的揮發性極低，溶解性極低，從而可以取代一些類似性質的有機溶劑，從經濟角度和環保角度看，離子液體都是實現可持續發展不可缺少的溶劑，從而實現綠色化學，友好化學。從離子液體的角度來說，它的萃取效應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行的反萃取很有好處，因此可以結合溶劑的萃取分離技術，從而是傳統的萃取分離技術更加穩定，更加可靠，更加高效[8]。

3 離子液體在有機合成反應和材料方面的應用

在有機合成反應中的大部分溶劑都是有揮發性的有毒溶劑，給環境帶來了很多污染。離子液體有非揮發性和無毒的優良特性，安全無污染。在有機合成反應中，離子液體可以作為溶劑和催化劑，正在廣泛的應用之中。隨著科技的迅速發展，納米材料走進人們的生產生活。在納米材料的制備方面，離子液體有一定的應用。離子液體能夠使得納米粒子穩定的存在，不發生聚團。并且在一些特殊的反應中，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，如良好的導電性，使離子液體在電化學沉積金屬材料方面表現出了卓越的優勢可以利用離子液體的多樣性，制備形態和結構多樣的納米材料[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用

20世紀以來，高分子材料的出現極大的改善了我們的生活，目前高分子產品中最主要，合成最廣泛的離子是塑料[8]，用途和我們人類的衣食住行密切相關，也是目前四大支柱材料之一，但是目前合成有機高分子材料的資源，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。而且這些有機高分子材料在丟棄的時候很難處理再循環，難降解，造成了環境的污染。全球性的環境問題和能源的枯竭正迫使人類重新選擇有機高分子材料的合成，目標是使用的原料為可再生的能源并且產品可降解。

目前人們關注的原料是存在于動物、植物和微生物的大分子有機化合物，即天然高分子。類型主要包括纖維素、淀粉、甲殼質/殼聚糖、蛋白質等。以天然高分子為原料可以制備各種形式、不同用途的材料，當今社會許多領域都取得了應用。這類天然高分子，在自然環境中儲藏量大，來源也非常豐富，主要的是可再生資源。產品又可以得到降解，安全，沒有毒害。基于這些優點，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，后來發現對淀粉等大分子也有溶解的作用，直到美國阿拉巴馬大學的Rogers教授發現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用才受到人們越來越多的關注。離子液體對于纖維素溶解的優越性足以彌補纖維素溶解還存在的缺憾。

4.1 離子液體在纖維素中的應用

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，天然的有機高分子纖維素還存在許多優點，比如容易降解，沒有污染，易于改性 ，目前纖維素的應用已經擴展到人類生活的各個領域，并且是未來化學，化工生產的重要原料。纖維素的廣泛應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和新型材料的開發都起到重要的作用。

在1934年，人們就發現N-乙基吡啶氯鹽可以溶解纖維素，但是這時候人們的認識還較淺，認為溶解能力一般，沒有受到化學家的重視，在以后的發展中，人們逐漸發現離子液體具有很好的溶解性，對于這種溶解的機理，一般認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/殼聚糖中的應用

淀粉是人類飲食中的一類重要的營養元素，而且是可以降解的天然分子，淀粉分子本身存在自由羥基，分子內和分子間也形成了很強的氫鍵，為了克服淀粉很差的物理性，幾乎不能加工成材料的缺點，使淀粉具有可加工的性質，必須削弱大分子內和分子間的氫鍵作用力，為了達到這個目的，必須對淀粉進行改性，通常采用的方法是淀粉的酯化反應，這樣可以提高熱穩定性[11]，不過這種方法很困難，因此，人們又開始想對淀粉進行凝膠化預處理，由于溶劑具有污染，所以改進起來還是很復雜。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域也有一定應用。

致謝：遼寧省高校重大科技平臺“能源與環境催化工程技術研究中心”。

[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用[M].北京: 化學工業出版社, 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混合樣品的電化學響應[J].沈陽師范大學學報(自然科學版),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、合成與應用[J].化學教育,2005(2): 7-12.

[6] 張鎖江,劉曉敏,姚曉倩,等.離子液體的前沿、進展及應用[J].中國科學,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[M].北京：科學出版社，1996.

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

(本文文獻格式：楊 沫，李 蕾，田 鵬.離子液體的應用研究[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

遼寧省自然科學基金(項目批準號：2015020241)；沈陽師范大學重大孵化項目(項目批準號：ZD201406)；沈陽師范大學大學生創新創業訓練計劃項目(項目批準號：201610166200036)

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

TQ413.2

A

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