مایع یونی

ساختار مایعات­ یونی

ساختار مولکولی مایعات یونی متشکل از کاتیون­ها و آنیون­های مختلف است. معمولاً نقش کاتیون  را یک ترکیب آلی حجیم (با بار مثبت) بازی می­کند اما در بسیاری از موارد آنیون­ها از لحاظ اندازه کوچک­تر از کاتیون­ها بوده و ساختار آن‌ها معدنی است. به دلیل تفاوت اندازه بین آنیون­ها و کاتیون، پیوند میان دو جزءتشکیل دهنده مایعات یونی ضعیف بوده و این ترکیبات در دمای زیر 100 درجه سانتی­گراد به صورت مایع وجود دارند. در یک قیاس ساختاری، ساختار مایعات یونی مانند ساختار نمک طعام بوده (از نظر نوع یون­ها و ماهیت بار­ها)  ولی نمک طعام به علت پیوند قوی بین کاتیون و آنیون آن (شباهت بالای آنیون و کاتیون از نظر اندازه، بار و ماهیت) ساختار بلورین مستحکم دارد و در دمای 800 درجه سانتی­گراد به صورت مذاب در می­آید.

اهمیت استفاده از مایعات یونی

استفاده گسترده از حلال­های خطرناک، سمی و فرار در صنایع، مخصوصا صنایع دارویی و شیمیایی منجر به آسیب­دیدگی و زیان به محیط زیست می­شود، لذا یافتن جایگزین مناسبی برای این حلال­ها که از نظر زیست محیطی بی­ضرر (دوست­دار محیط زیست) بوده و در عین حال خواص حلال­های متداول را داشته باشند، به شدت در صنایع مختلف دارویی و شیمیایی حس می­شود. از جمله حلال­های جدیدی که به عنوان حلال و یا کاتالیست سبز شناخته می­شوند، دی اکسید کربن فوق بحرانی و مایعات یونی را می­توان نام برد. مهم­ترین مزیت مایعات یونی (مایعات یونی که در دمای زیر 100 درجه سلسیوس مایع هستند) این است که فشار بخار ناچیزی داشته، غیر فرار بوده و مشکلی برای محیط زیست ایجاد نمی­کنند. مایعات یونی در چند سال­های اخیر انقلابی در مراکز تحقیقاتی و صنایع شیمیایی به پا کرده­ اند. این ترکیبات که جزء مواد شیمیایی سبز بشمار می­آیند، به عنوان حلال نقش بسیار مهمی در کاهش استفاده از ترکیبات خطرناک، سمی و آسیب زننده به محیط زیست را ایفا می­کنند. یکی از دلایلی که امروزه تحقیقات دربارهٔ مایعات یونی را افزایش داده، یافتن یک جایگزین مناسب برای حلال­های آلی فرار خطرناک و سمی می­باشد. حلال­های آلی فرار مهم­ترین منبع ایجاد آلودگی زیست-محیطی در صنایع شیمیایی و دارویی می­باشند. البته این بدین معنی نمی­باشد که مایعات یونی تماما جزء حلال­های سبز محسوب می­شوند، حتی بعضی از آن­ها شدیدا سمی هستند و اغلب سعی می­شود که از مایعات یونی بی ضرر استفاده گردد. انواع مختلفی از مایعات یونی وجود دارند که می­توان از جمله آن‌ها مایعات یونی Room temperature، مایعات یونی کایرال، مایعات یونی آب­گریز و غیره را نام برد. از بین موارد ذکر شده RTIL­‌ها کاربرد بسیار گسترده­ای در شیمی دارند.
تاریخچه
اختلافاتی در تاریخ کشف «اولین» مایع یونی و هویت کاشف آن وجود دارد. در سال ۱۸۸۸ اتانول آمونیوم نیترات (m.p. 52-55 °C) توسط اس. گابریل و جی. وینر گزارش شد. یکی از قدیمیترین مایعات یونی در دمای اتاق، اتیل آمونیوم نیترات (m.p. 12 °C) بود که در سال ۱۹۱۴ توسط پاول والدن گزارش شده‌است. در 1970s و 1980s, مایعات یونی بر پایه آلکیل-جایگزین شده کاتیونهای ایمیدازولیوم و پیریدینیوم با هالید یا آنیونهای تترا هالوژنوآلومینات به عنوان پتانسیل الکترولیت در باتری‌ها، توسعه یافته بودند.
خواص فیزیکی نمک «ایمیدازولیوم هالوژنو آلومینات» مانند ویسکوزیته با نقطه ذوب و اسیدیته را می‌توان به تغییر استخلاف آلکیل و ایمیدازول/پیریدینیوم و هالید/هالوژنوآلومینات نسبت داد. دو اشکال عمده برای برخی از کاربردها، موارد حساسیت رطوبت و اسید/باز بود. در سال ۱۹۹۲ مایعات یونی به دست آمده با آنیونهای کوردینانت ضعیف خنثی مانند هگزافلوروفسفات (PF−

6) و تترافلوروبورات (BF−

4) به ویلکس و زاواروتکو اجازه داد تا در طیف بسیار گسترده تربکار روند.
اگر چه بسیاری از مایعات یونی کلاسیک هگزافلوروفسفات و تترا فلوروبورات هستند، نمک  [(CF₃SO₂)₂N]⁻ bistriflimide نیز مورد توجه می‌باشد.

ویژگی‌های

مایعات یونی اغلب در حد متوسط به ضعیف، هدایت الکتریکی، غیر یونیزه (مانند غیر قطبی)، بسیار ویسکوز و اغلب با فشار بخار پایین هستند. از دیگر خواص متنوع آن‌ها اینکه: بسیارکم اشتعال هستند، به لحاظ حرارتی پایدارند، و برای طیف وسیعی از مواد قطبی و غیر قطبی حلال مناسبی می‌باشند، بسیاری از واکنش‌های شیمیایی مانند واکنش دیلز-آلدر و واکنش فریدل-کرافتس را می‌توان با استفاده از مایعات یونی به عنوان حلال انجام داد. مایعات یونی را می‌تواند به عنوان حلال برای بیوکاتالیزوری بکار برد. امتزاج مایعات یونی با آب یا حلال‌های آلی، به طول زنجیره جانبی روی کاتیون و آنیون انتخاب شده بستگی دارد. می‌توان آن‌ها را به عنوان اسیدها، بازها یا لیگاندهای پیش ساز نمک در تهیه پایدار کاربن‌ها بکاربرد. در یافته‌های جدید برای هیدرولیز اسیدی یا بازی در محیط آبی، این مواد را پیشنهاد می‌دهد. به سبب خواص متمایزشان، مایعات یونی در بسیاری از زمینه‌ها از جمله شیمی آلی، الکتروشیمی، شیمی تجزیه، شیمی فیزیک و مهندسی شیمی ; مورد توجه قرار گرفته‌اند. مثلاً مایع یونی مغناطیسی را ببینید.
با وجود فشار بخار بسیار کم (≈10⁻¹⁰ Pa at 25C) برخی از مایعات یونی را می‌توان تحت شرایط خلاء در دمای نزدیک به 300 °C تقطیر کرد. کار اصلی توسط تیم مارتین ارل انجام شد. آن‌ها به اشتباه به این نتیجه رسیدند که بخار ساخته شده، از یونهای جدا و منفرد تشکیل شده. اما بعدها ثابت شد که این گازها شامل جفت-یون می‌باشد. برخی از مایعات یونی (مانند ۱-بوتیل-۳-متیل ایمیدازولیوم نیترات) در تجزیه حرارتی، گازهای قابل اشتعال تولید می‌کنند. پایداری حرارتی و نقطه ذوب به اجزای مایع بستگی دارد. پایداری حرارتی متفاوتی برای RTILs (مایعات یونی در دمای اتاق) وجود دارد. ثبات حرارتی مایع یونی یک ویژگی است طوریکه، بتائین پروتئینه شدهٔ بیس (تری فلورومتان سولفونیل) ایمید در حدود ۵۳۴درجه کلوین(۵۰۲ درجه فارنهایت) و N-بوتیل-N-متیل پیرولیدینیوم بیس (تری فلورومتان سولفونیل) ایمید تا ۶۴۰ درجه کلوین دارای پایداری هستند. از محدودیت‌های بالا از پایداری حرارتی از مایعات یونی گزارش شده در ادبیات معمولاً بر اساس سرعت (حدود 10 K/min) اسکن TGA و آن‌ها نیست در دراز مدت (چند ساعت) پایداری حرارتی از مایعات یونی است که محدود به کمتر از ۵۰۰درجه K برای بسیاری از مایعات یونی.
حلالیت گونه‌های مختلف در مایعات یونی ایمیدازولیوم، به‌طور عمده به قطبیت و قابلیت پیوند هیدروژنی بستگی دارد.
معمولاً ترکیبات آلیفاتیک اشباع به مقدار زیاد در مایعات یونی حل می‌شوند، با این حال، الفین‌ها محلولیت بیشتری دارند و آلدئیدها می‌توانند کاملاً مخلوط شوند. این مطلب می‌تواند در تجزیه دو فازیهایی مانند فرایندهای هیدروژنه و هیدروکربونیله مورد استفاده قرار گیرد که اجازه می‌دهد به شکل نسبتاً آسانی جدایی از محصولات و/یا مواد بستر(s) صورت گیرد. حلالیت گاز نیز به همان شکل است، گاز دی اکسیدکربن، دارای قابلیت انحلال استثنایی در بسیاری از مایعات یونی است. حلالیت مونوکسید کربن در مایعات یونی نسبت به بسیاری از حلال‌های آلی پرکاربرد، کمتر است، و هیدروژن که تنها کمی محلول است (شبیه به حلالیتش در آب) و ممکن است فقط کمی بیشتر در مایعات یونی حل شود.‌های مختلف تکنیک‌های تحلیلی را به همراه داشت تا حدودی متفاوت مطلق حلالیت ارزش است.

انواع دمای اتاق

دمای اتاق مایعات یونی (RTILs) شامل بزرگ و نامتقارن آلی کاتیونهای مانند ۱-آلکیل-3-methylimidazolium, 1-alkylpyridiniumهای N-متیل-N-alkylpyrrolidinium و آمونیوم یون. Phosphonium کاتیونهای کمتر رایج هستند اما ارائه برخی از خواص سودمند است. طیف گسترده‌ای از آنیون شاغل هستند اعم از ساده هالیدهایکه به‌طور کلی رنج می‌برند ذوب بالا امتیاز معدنی آنیون مانند tetrafluoroborate و hexafluorophosphateو به آلی آنیون مانند bistriflimideهای تریفلات یا tosylate. نیز وجود دارد بسیاری از بالقوه با استفاده از مایعات یونی با ساده غیر هالوژنه آلی آنیون مانند فرماتهای alkylsulfateهای alkylphosphate یا glycolate. از نقطه ذوب ۱-بوتیل-۳-متیلimidazolium tetrafluoroborate حدود −۸۰ درجه سلسیوس (−۱۱۲ درجه فارنهایت) و آن است که یک مایع بی‌رنگ با ویسکوزیته در دمای اتاق. اگر بسیار نامتقارن کاتیون ترکیب شده‌است با شدت نامتقارن آنیون تشکیل مایع یونی ممکن است یخ را به دماهای بسیار پایین (پایین به -150 °C) دمای انتقال شیشه ای شناسایی شد زیر -100 °C در مورد مایعات یونی با N-متیل-N-alkylpyrrolidinium کاتیونهای و fluorosulfonyl-trifluoromethanesulfonylimide (FTFSI). آب مشترک ناخالصی در مایعات یونی به عنوان آن می‌تواند جذب شده از اتمسفر و تأثیرات حمل و نقل خواص RTILs حتی در نسبتاً غلظت‌های پایین است.
در بسیاری از مصنوعی با استفاده از فرایندهای انتقال فلز کاتالیزور فلزی نانو نقش مهمی را به عنوان واقعی کاتالیزور یا به عنوان یک کاتالیزور مخزن. ILs هستند جذاب متوسط برای شکل‌گیری و تثبیت catalytically فعال انتقال نانوذرات فلزی. از همه مهمتر ILs را می‌توان ساخته شده‌است که ترکیب هماهنگی گروه به عنوان مثال با دستکش گروه در هر دو کاتیون یا آنیون (CN-IL). در C-C جفت واکنش‌های کاتالیز شده توسط یک پالادیوم کاتالیزور آن یافت شده‌است که نانوذرات پالادیوم بهتر تثبیت در CN-IL در مقایسه با غیر عاملدار مایعات یونی؛ در نتیجه افزایش فعالیت کاتالیزوری و recyclability در حال تحقق است.

دمای پایین انواع

دمای پایین مایعات یونی (زیر 130 K) پیشنهاد شده‌است به عنوان سیال پایه بسیار بزرگ با قطر چرخش مایع آینه تلسکوپ به بر زمین ماه است. دمای پایین سودمند است در تصویربرداری موج بلند مادون قرمز نور است که به شکل نور (بسیار قرمز منتقل شده) که می‌رسد از دورترین نقاط جهان قابل مشاهده است. مانند یک مایع پایه خواهد بود تحت پوشش نازک فلزی فیلم است که به شکل سطح منعکس کننده. نوسانات کم است مهم قمری در شرایط خلاء.

پلی (مایع یونی)s

Polymerized مایعات یونی پلی (مایع یونی)s یا پلیمری مایعات یونی همه به صورت مختصر به عنوان پیل است پلیمر قالب یونی مایعات. آن‌ها نیمی از ionicity از مایعات یونی پس از یک یون ثابت است به عنوان پلیمر moiety به شکل یک زنجیره پلیمری است. PILs مشابه طیف وسیعی از برنامه‌های کاربردی قابل مقایسه با کسانی که از مایعات یونی اما پلیمر معماری فراهم می‌کند یک فرصت بهتر برای کنترل رسانایی یونی. آن‌ها را تمدید برنامه‌های کاربردی از مایعات یونی برای طراحی هوشمند یا مواد جامد و الکترولیت‌ها است.

برنامه‌های کاربردی تجاری

یک مایع tetraalkylphosphonium یدید یک حلال برای tributyltin یدید که توابع به عنوان یک کاتالیزور برای تنظیم مجدد monoepoxide از بوتادین. این فرایند تجاری به عنوان یک مسیر به 2,5-dihydrofuranاما بعد از قطع

گاز دست زدن به

ILs در نظر گرفته شده برای انواع کاربردهای صنعتی است. خواص خود را از فشار بخار کم با پایداری حرارتی و solvation برای طیف گسترده‌ای از ترکیبات و گازها آن‌ها را جذاب در ذخیره‌سازی گاز و حمل و نقل برنامه‌های کاربردی. هوا محصولات با استفاده از ILs به جای تحت فشار سیلندر به عنوان یک حمل و نقل متوسط برای واکنش گازها مانند trifluoroboraneهای phosphine و arsine. گازهای محلول در مایعات یا در زیر فشار اتمسفر و می‌توان به راحتی در خارج از ظروف با استفاده از یک خلاء است. گاز تولیدکننده لینده سوء استفاده از پایین بودن حلالیت هیدروژن در ILs برای فشرده سازی گاز تا ۴۵۰ بار در پر کردن ایستگاه با استفاده از مایع یونی پیستون کمپرسورهای
IL ۱-بوتیل-3-methylimidazolium کلرید بررسی شده‌است برای جدا کردن هیدروژن از آمونیاک borane.
ILs و آمین بررسی شده‌است برای گرفتن دی‌اکسید کربن CO₂ و تصفیه گاز.

زغال سنگ پردازش

ILs به خصوص imidazolium-based ILs یافت شده‌است مؤثر در پیش از زغال سنگ قبل از استفاده در برنامه‌های کاربردی مانند تجزیه در اثر حرارت و تبدیل به گاز. پیشتیمار با مایعات یونی باعث 'تورم' از زغال سنگ ساختار اجازه می‌دهد بهتر تبدیل به گاز.

داروسازی

به رسمیت شناختن است که حدود ۵۰ درصد از تجاری دارو هستند آلی نمک مایع یونی فرم تعدادی از دارویی بررسی شده‌است. ترکیب pharmaceutically فعال کاتیون با pharmaceutically فعال آنیون منجر به فعال دوگانه مایع یونی است که در آن اقدامات دو دارو با هم ترکیب می‌شوند.
ILs می‌تواند استخراج ترکیبات خاص از گیاهان دارویی، غذایی و آرایشی و بهداشتی، برنامه‌های کاربردی مانند ضد مالاریا مواد مخدر آن از گیاه Artemisia annua.

سلولز پردازش

انحلال سلولز توسط ILs جذب علاقه. یک درخواست حق ثبت اختراع از سال ۱۹۳۰ نشان داد که 1-alkylpyridinium کلرید انحلال سلولز است. پس در قدم به قدم از lyocell روند که با استفاده از هیدراته N-Methylmorpholine N-اکسیدبه عنوان یک غیر آبی حلال برای انحلال کاغذ و خمیر کاغذ. انحلال سلولز–بر اساس مواد مانند بافت کاغذ زباله‌های تولید شده در صنایع شیمیایی و در آزمایشگاه‌های تحقیقاتی در دمای اتاق IL 1-بوتیل-3-methylimidazolium کلرید bmimCl و بازیابی ترکیبات با ارزش توسط انباشت از این سلولز ماتریس مورد بررسی قرار گرفت. «ارزش گذاری» از سلولز یعنی آن را تبدیل به با ارزش تر مواد شیمیایی به دست آمده‌است با استفاده از مایعات یونی. نماینده محصولات قند استرهای سوربیتولو alkylgycosides. IL 1-بوتیل-3-methylimidazolium کلرید حل یخ خشک موز و خمیر را با اضافی ۱۵ درصد DMSOآشنایی خود را به کربن-13 NMR تجزیه و تحلیل. در این راه کل مجموعه از نشاستهبا ساکارزهای گلوکزو فروکتوز می‌تواند نظارت به عنوان یک تابع از ناف رسیدن.
ILs مؤثر برای استخراج مواد شیمیایی بالقوه مربوط به بیودیزلبا اتانولو دیگر سوخت‌های زیستی از جلبک.

بازفرآوری سوخت هسته ای

IL 1-بوتیل-3-methylimidazolium کلرید بررسی شده‌است به عنوان یک غیر آبی الکترولیت رسانه ای برای بازیابی اورانیوم و دیگر فلزات از صرف سوخت هسته ای و دیگر منابع. Protonated بتائین bis(trifluoromethanesulfonyl) ایمید بررسی شده‌است به عنوان یک حلال برای اورانیوم اکسید. مایعات یونی N-بوتیل-N-methylpyrrolidinium bis(trifluoromethylsulfonyl)ایمید و N-متیل-N-propylpiperidinium bis(trifluoromethylsulfonyl)ایمیدهای بررسی شده برای انباشت از یوروپیم و اورانیوم، فلزات بود.

انرژی حرارتی خورشیدی

ILs بالقوه انتقال حرارت و رسانه‌های ذخیره‌سازی در انرژی خورشیدی انرژی حرارتی سیستم‌های. تمرکز حرارتی خورشیدی امکانات مانند سهموی فرورفتگی و انرژی خورشیدی برج تمرکز انرژی خورشید را بر روی یک گیرنده است که می‌تواند تولید دمای حدود ۶۰۰ درجه سلسیوس (۱٬۱۱۲ درجه فارنهایت). این گرما می‌تواند پس از آن تولید برق در یک بخار یا دیگر چرخه. برای بافر در طول دوره‌های ابری یا برای فعال کردن نسل یک شبه انرژی می‌تواند ذخیره شده با حرارت متوسط مایع. اگر چه نمک نیترات شده‌است متوسط انتخاب از اوایل 1980s آن‌ها منجمد در ۲۲۰ درجه سلسیوس (۴۲۸ درجه فارنهایت) و در نتیجه نیاز به حرارت برای جلوگیری از انجماد. مایعات یونی مانند C₄mim[BF

4] باید مطلوب تر مایع-فاز دما (-۷۵ به 459 °C) و در نتیجه می‌تواند عالی مایع حرارتی رسانه‌های ذخیره‌سازی و انتقال حرارت مایعات.

بازیافت زباله

ILs می‌تواند کمک به بازیافت مصنوعی، محصولات پلاستیک و فلزات. آن‌ها ارائه ویژگی‌های مورد نیاز برای جدا کردن ترکیبات مشابه از هر یک از دیگر مانند جدا کردن پلیمرها در زباله‌های پلاستیکی در جریان است. این شده‌است به دست آورد با استفاده از دمای پایین‌تر فرایندهای استخراج از روش‌های کنونی و می‌تواند کمک به جلوگیری از incinerating پلاستیک یا آزادسازی آن‌ها در محل‌های دفن زباله.

باتری

ILs می‌تواند جایگزین آب به عنوان الکترولیت در فلز-هوا باتری. ILs جذاب هستند به دلیل کم فشار بخار افزایش عمر باتری خشک کردن کندتر است. بعلاوه ILs یک الکتروشیمیایی پنجره تا شش ولت (در مقابل ۱٫۲۳ آب) حمایت بیشتر انرژی متراکم فلزات. تراکم انرژی از ۹۰۰–۱۶۰۰ وات ساعت در هر کیلوگرم به نظر می‌رسد ممکن است.

متفرق عامل

ILs می‌تواند به عنوان عوامل دیسپرس در رنگ به منظور افزایش finish ظاهر و خشک کردن خواص است. ILs استفاده می‌شود برای متفرق کردن نانومواد در IOLITEC.

کربن جذب

مایعات یونی پیشنهاد شده‌است به عنوان یک جاذب در جذب کاربن. آن‌ها مختلف مزایای بیش از سنتی کاتالیزورها مانند در حال حاضر غالب آمین‌های مبتنی بر فناوری. ۱-بوتیل-3-methylimidazolium hexafluorophosphate یک مثال از یک پیشنهاد CO₂ جاذب.

ایمنی

مایعات یونی' نوسانات کم به‌طور مؤثر را حذف عمده مسیر برای محیط زیست و انتشار آلودگی است. اما این ویژگی متمایز از سمیت. مایعات یونی' آبزیان سمی است که به عنوان شدید به عنوان یا بیشتر از بسیاری از زمان حلال است. مرگ و میر لزوماً مهم‌ترین متریک برای اندازه‌گیری اثرات در محیط‌های آبی به عنوان sub-غلظت کشنده تغییر ارگانیسم‌های زندگی، تاریخ در راه معنی دار. تعادل VOC کاهش در برابر آبراه نشت (از طریق زباله استخر/جریان و غیره) نیاز به تحقیق بیشتر است. مایعات یونی' تعویض تنوع تسهیل فرایند شناسایی ترکیبات که در دیدار با الزامات ایمنی است.
سونوگرافی می‌تواند تنزل حل imidazolium-based ionic liquids با هیدروژن پراکسید و اسید استیک به نسبتاً بی‌ضرر ترکیبات.
با وجود کم فشار بخار بسیاری از یونی مایعات قابل احتراق و در نتیجه نیاز به دست زدن به مراقب باشید. مختصر قرار گرفتن در معرض (۵ تا ۷ ثانیه) به شعله مشعل می‌تواند مشتعل برخی از مایعات یونی. احتراق کامل ممکن است برای برخی از مایعات یونی.