离子液体是什么，主要应用有哪些

概述【1】

离子液体（IonicLiquid）是由有机阳离子和无机或有机阴离子构成的在室温下呈液态的有机盐，通常可称为室温离子液体（Room-temperatureIonicLiquid）。离子液体作为一种新型的极性溶剂，几乎没有蒸汽压、不可燃性、非挥发性、良好的化学稳定性和热稳定性、可循环利用及对环境友好，故称之为“绿色”化学溶剂，可以用来代替传统的易挥发有毒溶剂。此外，离子液体的高极性、疏水性及溶解性等均可以通过选用不同的阴阳离子和侧链取代基而改变，故又称之为“设计溶剂”（Designedsolvents）。离子液体被认为是21世纪最有希望的绿色溶剂和催化剂之一，已应用于生物催化、分离科学及电化学等诸多领域。

分类【1】

离子液体种类繁多，目前，其分类方法有3种，根据阳离子不同，主要分为咪唑类离子液体、吡啶类离子液体、季铵盐类离子液体、季鏻盐类离子液体等；根据阴离子不同，主要分为AlCl3型离子液体，非AlCl3型离子液体及其他特殊离子液体；根据酸碱性不同，分为酸功能化离子液体、碱功能化离子液体及中性离子液体。

1.AlCl3型离子液体

AlCl3型离子液体可通过调节AlCl3与有机季铵盐的比例，生成具有L酸、L碱等的离子液体。它主要应用于电化学反应中，如烷基化、异构化、酰基化等反应。

2.非AlCl3型离子液体

非AlCl3型离子液体对水和空气都较稳定，具有较好的酸催化活性。但是其酸性强度不如前者，因此，需要加大离子液体用量以增大收率。此类离子液体比较常见的阴离子有：卤素离子，BF4-，PF6-,HSO4-,H2PO4-,AlCl4-,CFESO3-,CH3CH(OH)COO-等，它们比前者具有更宽广的应用范围。

3.特殊离子液体

除上述常用的普通离子液体外，人们还不断的研究设计出了许多功能化离子液体。

特点【1】

1.非挥发性。与传统有机溶剂相比，离子液体的蒸汽压接近零，可用于真空体系进行反应，不易挥发氧化，减少了因挥发而导致的环境污染问题；

2.溶解性能良好。对许多无机盐、有机物、无机物和聚合物等物质具有良好的溶解性，包括弱极性物质（如甲苯）和强极性物质（如碳水化合物）。这能使一些反应在均相中进行，提高了反应速率；

3.良好的酸碱催化剂。有些离子液体具有L或B酸碱性甚至超强酸性，同时拥有液体酸的高密度反应活性和固体酸的不挥发性，因此可代替传统的酸碱催化剂；

4.良好的热稳定性与化学稳定性。许多离子液体对空气和水均稳定，另外，在300oC以下离子液体能稳定存在，是一种理想的有机溶剂；

5.液体温度范围大。大多数离子液体在300oC时能保持液态，因此，为一些因温度过高而不能在有机溶剂中进行的反应提供了一个最适的反应介质；

6.可回收利用性。离子液体稳定性好，而且在酯化反应体系中，反应完后可形成双相，使得催化剂与产物易于分离，因此较传统的催化剂具有更高的可回收重复利用性。

7.“可设计性”。可根据需要（如改变离子液体的极性、疏水性、粘度及溶解性）通过改变阴阳离子的组合合成所需的功能化离子液体.

制备方法【2】

1.常规合成法

常规合成法包括一步合成法和两步合成法。离子液体的合成方法主要取决于目标离子的结构和组成，迄今为止，在合成的数百种离子液体中，最常见的合成方法就是一步法和两步法。

（1）一步合成法
一步合成法包括由亲核试剂——叔胺（包括吡啶、咪唑等）与卤代烷烃或酯类物质（羧酸酯、磷酸酯和硫酸酯）发生亲核加成反应，或利用胺的碱性与酸发生中和反应而一步生成目标离子液体的方法。

（2）两步合成法
当一步合成法难以得到目标离子液体时，就必须采用两步合成法。两步合成法合成离子液体的路线如图1所示。步先由叔胺与卤代烃反应合成季铵的卤化物；第二步再通过离子交换、络合反应、电解法或复分解反应等方法，将卤素离子转换为目标离子液体的阴离子。

图1为两步法合成离子液体路线

离子交换法是将含目标阳离子的离子液体前体配成水溶液，然后通过含目标分子阴离子的交换树脂，通过离子交换反应得到目标离子的水溶液，然后蒸发除水得到产品。阴离子络合反应主要是利用卤素离子与过渡金属卤化物的络合反应生成单核或多核的络合阴离子，这些阴离子包括[AlCl3]?、[Al2Cl7]?、[FeCl4]?、[ZnCl3]?、[CuCl2]?、[SnCl3]?等。电解法是直接电解含目标阳离子的氯化物前体水溶液，生成氯气和含目标阳离子的氢氧化物，后者再与含目标阴离子的酸发生中和反应。复分解反应是离子液体合成的最常用的方法，将分别包含目标阴阳离子的两种电解质通过复分解反应得到所需的离子液体。

2.新型合成方法

（1）微波辅助合成离子液体微波辅助合成离子液体不需要溶剂，反应时间可以缩短至几小时甚至几分钟。其原理是极性分子在快速变化的电磁场中不断改变方向，从而引起分子的摩擦发热，属于体相加热技术。微波加热升温速度快，而且分子的不断转动本身也是一种分子级别的搅拌作用，因此可以极大地提高反应速率，甚至产率和选择性。

（2）超声波辅助合成离子液体
超声波借助于超声空化作用可以在液体内部形成局部的高温高压微环境，而且由于超声波的震动搅拌作用可以极大地提高反应速率，尤其是非均相化学反应。

应用【2】

由于具有优良的特性，离子液体被广泛应用于化工过程的不同方面。目前离子液体被广泛应用于化工分离过程、电化学、化学反应中，不仅是许多反应的优良溶剂，还可以用作反应的催化剂。

1.离子液体在萃取分离中的应用

（1）萃取有机物

因离子液体蒸气压低、热稳定性好，萃取完成后通过蒸馏提取萃取相，易于循环利用，故在萃取有机物方面具有很大的优势。一方面，离子液体能与溶剂有强烈的相互作用，因此具有很强的选择性；另一方面，由于离子液体几乎不挥发，因此在使用和回收过程中溶液损失几乎为零。

（2）萃取金属离子

若用普通的离子液体萃取金属离子，金属的分配系数D（离子液体中浓度/水中浓度）小于1。因此要设法提高分配系数D值，一般有两种方式：一是加入另一种萃取剂，二是在离子液体的阳离子上引入配位原子或配位结构。

（3）离子液体用于萃取脱硫
离子液体作为一种新型的溶剂也被用于萃取脱硫，用于萃取脱硫的离子液体主要有咪唑类、吡啶类、胍基、醇胺类离子液体。影响离子液体脱硫效果的因素主要归因于离子液体的水溶性、结构及阴离子大小等，一般来说，阴离子尺寸越大，萃取效果越明显，因此可通过调整阴阳离子的大小、结构设计符合需要的离子液体。

（4）离子液体用于气体分离
离子液体对气体具有独特的选择性溶解及吸收性能，因此国内外对于其在气体分离中的研究作了大量的研究。除了一些外界因素如温度、压强、离子液体的理化性质等的影响，气体在离子液体中的溶解度主要受到离子液体与气体之间相互作用的影响。目前研究较多的是酸性气体的分离。

（5）离子液体在生物质溶解方面的应用
生物质作为一种可再生的碳源具有产量大，含硫、含氮量低，二氧化碳净排为零等特点。因此研究者们将离子液体与生物质这两部分联系起来，在解决能源问题的同时对环境绿色友好，而要将这两种物质联系起来首先要研究的问题是离子液体对生物质的溶解。生物质是指植物通过光合作用生成的有生命的有机物质，离子液体对生物质尤其是纤维素、木质素等碳水化合物有较好的溶解性能，因此主要集中在这方面的研究。

2.离子液体在有机合成反应中的应用

（1）离子液体作为溶剂

①离子液体作为溶剂用于Friedel-Crafts反应
②离子液体作为溶剂用于Diels-Alder反应
③离子液体作为溶剂用于C—C偶联反应
④离子液体作为溶剂用于氧化反应
⑤离子液体作为溶剂用于酯化反应
⑥离子液体作为溶剂用于Michael加成反应

（2）离子液体作为催化剂

离子液体在有机反应中的应用，早期主要集中用于代替传统的有机溶剂，提供一个更加绿色的反应体系。后来研究发现，离子液体作为反应介质，可以提高反应的速率和催化活性，更重要的是离子液体本身也可以作为一种“绿色环保”的高效新催化材料，代替有毒、污染严重的传统催化剂。

3.离子液体在其他方面的应用

（1）离子液体在纳米材料方面的应用
近年来，离子液体在材料制备领域也得到了广泛的应用，研究范围包括离子液体中聚合物的合成、无机纳米材料的制备、天然高分子的加工等。离子液体的界面张力和界面能低，因而可导致较高的成核速率，产生的粒子非常细小、不易长大且结构规整有序。另外，离子液体对许多有机物和无机物都有很好的溶解性能，因而可以在离子液体中制备各种材料。

（2）离子液体在电化学方面的应用
离子液体是完全由离子组成的液体，可以作为电解质应用于电化学中。离子液体以优良的电子导电性能，在电化学反应、电池、电容器等方面都具有广泛的应用前景。

主要参考资料

[1]李颖. 离子液体在生物柴油合成中的应用[D].华南理工大学,2013.

[2]蒋平平,李晓婷,冷炎,董玉明,张萍波.离子液体制备及其化工应用进展[J].化工进展,2014,33(11):2815-2828.