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特集

イオン液体と化学工学集片山特化学工学におけるイオン液体の期待
靖

1．はじめに

2．初期のイオン液体

イオン液体（ionic liquid）という言葉が，学会や論文のみなイオン液体として認知度が高くなったのはおおよそらず，高校教科書などにも用いられるようになって久し

2000 年頃からであるが，室温以下の融点をもつイオン液い。イオン液体はもはや新しい液体ではなく，水や有機溶体が報告されたのは 1914 年に遡る。Walden は融点が 13 〜媒と並ぶ液体として一般に認知されるに至ったと言えるか

14℃の硝酸エチルアンモニウムを geschmolzenen Salze すなもしれない。イオン液体は，イオンのみから構成され，溶

わ ち 溶 融 塩 と し て 報 告 し て い る 1）。1919 年 に は 融 点 が媒とみなせる中性分子を一切含まない液体と定義できる。

120℃の臭化エチルピリジニウム中での電気分解が報告さ

室温で固体の塩を，その融点以上の温度に加熱することにれ 2），1936 年になると融点が 145℃の塩化ピリジニウム中

よって得られる液体は一般に溶融塩（熔融塩，融解塩，molten

で様々な金属の電析が試みられている 3）。更に，1948 年にsalt または fused salt）と呼ばれる。溶融塩の多くはイオンのみ

は，臭化エチルピリジニウムと塩化アルミニウム（AlCl3）のから構成されていることからイオン液体と言える。近年，混合塩の融点が− 40℃であり，アルミニウムの電析が可融点が室温以下にあるかさ高いイオンから構成される液体能であることがWierとHurleyによって発見されている4, 5）。

塩をイオン液体と呼ぶことが多いが，かつては室温溶融塩

1982 年に Wilkes によって報告された塩化 1- エチル -3- メチ（room-temperature molten salt）
または常温溶融塩（ambient temperature

ルイミダゾリウム（EMICl，図 1a）と AlCl3 の混合塩が室温以molten salt）と呼んでいた。また，上述のイオン液体の定義下で液体になることが見出され 6），室温溶融塩として盛んには温度（融点）は含まれていない。室温でイオン液体であに研究されるようになった。有機カチオンの塩化物と AlCl3るか否かを明示するために，室温溶融塩と同様に，室温イの混合塩からなるイオン液体はクロロアルミネート系イオオン液体（room-temperature ionic liquid）と呼ぶこともある。一方ン液体と呼ばれる。

で，イオン液体となり得る塩を水や有機溶媒に溶解した液

代表的な EMICl-AlCl3 系クロロアルミネート系イオン液

体をイオン液体と呼ぶ研究者もいるが，これらは明らかに体は，ルイス塩基である EMICl とルイス酸である AlCl3 とイオン液体の定義に当てはまらず，単なる溶液に過ぎなの酸塩基反応によって生じる EMI ＋，Cl −，AlCl4 −（図 1b）おい。イオン液体の認知度が高まり，様々な分野での利用が検討されるようになったことは，溶融塩およびイオン液体の研究分野に長く携わってきた筆者にとって喜ばしい限りであるが，イオン液体とは言い難い使い方をした報告も多く存在するため，注意が必要である。

2023 年 11 月 29 日受理

第 88 巻

Prospect of Ionic Liquids in ChemicalEngineering
Yasushi KATAYAMA
1996 年 京都大学大学院工学研究科博士後期課程修了 博士（工学）
現 在 慶應義塾大学理工学部応用化学科教授
連絡先：〒223-8522 横浜市港北区日吉3-14-1
E-mail katayama@applc.keio.ac.jp

第 3 号（2024）

図1

クロロアルミネート系イオン液体を構成するイオン
（a）1- エチル -3- メチルイミダゾリウムイオン，（b）
AlCl4 －および（c）Al2Cl7 －（3）

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よび Al2Cl7 −（図 1c）などから構成されるイオン液体である。
存 在 す る イ オ ン 種 は EMICl と AlCl3 の 組 成 に 依 存 し，EMICl のモル比が 0.5 より大きい時はルイス塩基性とな

特り，EMI ＋，Cl − および AlCl4 − が，EMICl のモル比が 0.5 より小さい時はルイス酸性となり，EMI ＋，AlCl4 − およびAl2Cl7 −が支配的となる。EMICl のモル比が 0.5 の時は中性集となり，EMI ＋および AlCl4 −からなるイオン液体となる。
このようなルイス酸・塩基特性からクロロアルミネート系イオン液体には様々な金属塩化物が溶解し，それらの金属イオン種の化学反応が検討された。ルイス酸性クロロアル
ミネート系イオン液体ではアルミニウムの電析が可能であ

図2ることから，アルミニウムめっきへの応用に向けた研究が精力的におこなわれたが，実用化には至らなかった。そのイオン液体に用いられる代表的なフッ素系アニオン（a）BF4 －，（b）PF6 －，（c）bis（trifluoromethylsulfonyl）amide（TFSA －）および（d）bis（fluorosulfonyl）amide（FSA －）最大の理由はAlCl4−およびAl2Cl7−の化学的安定性である。
これらの化学種は大気中の水分と容易に反応し，有毒な塩系イオン液体の発見は，イオン液体の用途の拡大に大きく化水素を生じる。従って，クロロアルミネート系イオン液貢献したと言えよう。

体を水分が含まれる通常の環境で用いることはできない。

4．イオン液体の応用
3．水に対して安定なイオン液体
イオンのみから構成されるイオン液体はイオン伝導性をクロロアルミネート系イオン液体の水に対する反応性は−示すことから，電池，金属電析（めっき），電気化学センサー−

AlCl4 および Al2Cl7 といったクロロアルミネートイオンといった電気化学分野での電解液として広く研究されていに由来する。そこでクロロアルミネートイオンを他のイオる。近年ではビス（フルオロスルホニル）アミド（FSA −，図ンに置き換えることで水に対する安定性の改善が期待され2d）をアニオンとするイオン液体や FSA の塩を高濃度に含る。そこで，1990 年代にクロロアルミネートイオンに構む電解液（濃厚電解液あるいは溶媒和イオン液体）がリチウム二造が類似したテトラフルオロホウ酸イオン（BF4 −，図 2a）や次電池の電解質として盛んに研究されている。なお，ヘキサフルオロリン酸イオン（PF6 −，図 2b）に置き換えてもTFSA −や FSA −系イオン液体は疎水性と呼ばれるが，大気室温で液体のイオン液体が得られることが見出された 7, 8）。

中では水分を吸収する。イオン液体の性質は水分量に大き−−−しかし，BF4 や PF6 はクロロアルミネートイオンに比べく依存するため，これらの研究の多くは乾燥雰囲気でおこると加水分解しにくいが，ゆっくりと水と反応しフッ化水なわれている。電気化学以外の分野では，有機合成の反応

素を生じる。更に水に対する反応性の低いイオン液体とし媒体，高分子やバイオマスの溶解，潤滑剤，帯電防止剤，て，1996 年にトリフルオロスルホン酸やビス（トリフルオ二酸化炭素の吸収・分離，溶媒抽出，電子デバイスなどへ

ロメチルスルホニル）アミド（TFSA −，イミドと呼ばれることもの応用が検討されている。今後も，難揮発性，難燃性，イ多く TFSI −と表記される，図 2c）のアニオンをもつイオン液体

オン伝導性といったイオン液体の特異的な性質を積極的に−−が報告された 。TFSA は Al2Cl7 と類似した構造をもち，活かした新たな応用が幅広い分野で見出されていくことを

イミダゾリウム以外の様々な有機カチオンと低融点のイオ期待したい。

9）ン液体を作ることから，有機カチオンの選択の幅が広がり，多種多様なイオン液体が合成されるようになった。更

参考文献
1）Walden, P.：Bull. Acad. Imp. Sci. St. Pétersbourg, 8, 405-422（1914）
2）Emmert, B.：Ber. dtsch. Chem. Ges., 52, 1351-1353（1919）
3）Audrieth, L. F. et al.：J. Am. Chem. Soc., 58（3）, 428-429（1936）
4）Wier, Jr. T. P. and F. H. Hurley：U. S. Pat., 1,911,122（1948）
5）Hurley, F. H. and T. P. Wier, Jr.：J. Electrochem. Soc., 98（5）, 203-206（1951）
6）Wilkes, J. S. et al.：Inorg. Chem., 21（3）, 1263-1264（1982）
7）Wilkes, J. S. and M. J. Zaworotko：Chem. Commun., 965-967（1992）
8）Fuller, J. et al.：Chem. Commun., 299-300（1994）
9）Bonhôte, P. et al.：Inorg. Chem., 35（5）, 1168-1178（1996）−に，TFSA をアニオンとするイオン液体は，水との反応性が低いのみならず，水と混ざらず相分離することが明らかになった 9）。これはイオン液体からの水の除去が容易になるだけではなく，水溶液とイオン液体の二相系で溶媒抽出などに利用できることが分かった。このように，TFSA −

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