iyonik sıvı - Ionic liquid

Yaygın bir iyonik sıvı olan 1-bütil-3-metilimidazolyum heksaflorofosfatın ([BMIM]PF 6 ) kimyasal yapısı .
İmidazolyum bazlı iyonik sıvının önerilen yapısı.

Bir iyonik sıvı ( IL ) a nın bir tuzu olarak , sıvı halde. Bazı bağlamlarda bu terim, erime noktası 100 °C (212 °F) gibi keyfi bir sıcaklığın altında olan tuzlarla sınırlandırılmıştır . Su ve benzin gibi sıradan sıvılar ağırlıklı olarak elektriksel olarak nötr moleküllerden yapılırken , iyonik sıvılar büyük ölçüde iyonlardan yapılır . Bu maddeler çeşitli şekillerde sıvı elektrolitler , iyonik eriyikler , iyonik sıvılar , kaynaşmış tuzlar , sıvı tuzlar veya iyonik camlar olarak adlandırılır .

İyonik sıvıların birçok potansiyel uygulaması vardır. Güçlü çözücülerdir ve elektrolit olarak kullanılabilirler . Ortam sıcaklığında sıvı olan tuzlar, elektrik pili uygulamaları için önemlidir ve çok düşük buhar basınçlarından dolayı sızdırmazlık maddesi olarak kabul edilmiştir .

Olmayan eriyikler bundan türetilmiş bir tuzun ayrıştırarak ya da genellikle, buharlaştırma, bir iyonik sıvı elde edilir. Örneğin, sodyum klorür (NaCl), 801 °C'de (1.474 °F) erir ve büyük ölçüde sodyum katyonlarından ( Na+
) ve klorür anyonları ( Cl-
). Tersine, iyonik bir sıvı soğutulduğunda, genellikle kristal veya camsı olabilen iyonik bir katı oluşturur .

İyonik bağ genellikle daha güçlüdür Van Waals der kuvvetlerin sıradan sıvılar molekülleri arasında. Bu güçlü etkileşimler nedeniyle tuzlar , yüksek erime noktalarında ortaya çıkan yüksek kafes enerjilerine sahip olma eğilimindedir . Bazı tuzlar, özellikle organik katyonları olanlar, düşük kafes enerjilerine sahiptir ve bu nedenle oda sıcaklığında veya altında sıvıdır . Örnekler arasında 1-etil-3-metil-imidazolyum (EMIM) katyonu ve temel bileşikler bulunmaktadır içerir: EMIM: Cl , EMIMAc (asetat anyon), EMIM disiyanamid , ( C
2H
5)( CH
3) Cı
3H
3n+
2· N(CN)-
2, −21 °C'de (−6 °F) erir; ve -24 °C'nin (-11 °F) altında cam haline gelen 1-bütil-3,5-dimetilpiridinyum bromür.

Düşük sıcaklıklı iyonik sıvılar, iyonik çözeltiler , hem iyonlar hem de nötr moleküller içeren sıvılar ve özellikle derin ötektik çözücüler , iyonik ve iyonik olmayan katı maddelerin karışımlarından çok daha düşük erime noktalarına sahip olan karışımlarla karşılaştırılabilir. saf bileşikler. Nitrat tuzlarının belirli karışımları, 100 °C'nin altında erime noktalarına sahip olabilir.

Genel anlamda "iyonik sıvı" terimi 1943 kadar erken bir tarihte kullanıldı.

Sarımsı kahverengi çılgın karıncalar ( Nylanderia fulva ) Ateş karıncaları ( Solenopsis invicta ) ile savaşırken , ikincisi onlara toksik, lipofilik , alkaloid bazlı bir zehir püskürtür . Sarımsı kahverengi çılgın karınca daha sonra kendi zehirini, formik asidini yayar ve onunla kendi kendini temizler; bu, Ateş karıncası zehirini de-toksifiye eden bir eylemdir. Karışık zehirler, tarif edilecek ilk doğal olarak oluşan IL olan bir iyonik sıvı oluşturmak üzere birbirleriyle kimyasal olarak reaksiyona girer.

Tarih

"İlk" iyonik sıvının keşif tarihi ve onu keşfeden kişinin kimliği tartışmalıdır. Etanolamonyum nitrat (en 52–55 °C) 1888'de S. Gabriel ve J. Weiner tarafından rapor edilmiştir. Oda sıcaklığındaki en eski iyonik sıvılardan biri etilamonyum nitrattı ( C
2H
5) NH+
3· HAYIR-
3(en 12 °C), 1914'te Paul Walden tarafından rapor edilmiştir . 1970'lerde ve 1980'lerde, pillerde potansiyel elektrolitler olarak halojenür veya tetrahalojenoalüminat anyonları ile alkil ikameli imidazolyum ve piridinyum katyonlarına dayalı iyonik sıvılar geliştirildi.

İmidazolyum halojenoalüminat tuzları için, viskozite , erime noktası ve asitlik gibi fiziksel özellikleri , alkil ikame edicileri ve imidazolyum/piridinyum ve halid/halojenoalüminat oranları değiştirilerek ayarlanabilir . Bazı uygulamalar için iki önemli dezavantaj, nem hassasiyeti ve asitlik veya bazlıktı. 1992'de Wilkes ve Zawarotko , heksaflorofosfat ( PF) gibi 'nötr' zayıf koordineli anyonlara sahip iyonik sıvılar elde ettiler.-
6) ve tetrafloroborat ( BF-
4), çok daha geniş bir uygulama yelpazesine izin verir.

Birçok klasik IL, heksaflorofosfat ve tetrafloroborat tuzları olmasına rağmen, bistriflimidler [(CF
3BÖYLE
2)
2N]-
 da popülerdir.

özellikleri

İyonik sıvılar genellikle orta ila zayıf elektrik iletkenleridir, iyonlaştırıcı değildir, yüksek viskozitelidir ve sıklıkla düşük buhar basıncı sergiler . Diğer özellikleri çeşitlidir: birçoğu düşük yanıcılığa sahiptir, termal olarak kararlıdır, geniş sıvı bölgelerine sahiptir ve bir dizi polar ve polar olmayan bileşik için uygun çözücü özelliklere sahiptir . Diels-Alder reaksiyonları ve Friedel-Crafts reaksiyonları gibi birçok kimyasal reaksiyon sınıfı, çözücü olarak iyonik sıvılar kullanılarak gerçekleştirilebilir. IL'ler biyokataliz için çözücüler olarak hizmet edebilir . İyonik sıvıların su veya organik çözücülerle karışabilirliği katyon üzerindeki yan zincir uzunluklarına ve anyon seçimine göre değişir . Asitler , bazlar veya ligandlar olarak işlev görmek üzere işlevselleştirilebilirler ve kararlı karbenlerin hazırlanmasında öncü tuzlardır . Hidrolize oldukları tespit edildi. Ayırt edici özelliklerinden dolayı iyonik sıvılar birçok uygulama için araştırılmıştır.

İyonik sıvılarda yaygın olarak bulunan katyonlar

Bazı iyonik sıvılar, 300 °C'ye yakın sıcaklıklarda vakum koşulları altında damıtılabilir . Martyn Earle ve arkadaşlarının orijinal çalışmasında, yazarlar yanlış bir şekilde buharın ayrı ayrı iyonlardan oluştuğu sonucuna vardılar, ancak daha sonra oluşan buharların iyon çiftlerinden oluştuğu kanıtlandı. Bazı iyonik sıvılar (1-bütil-3-metilimidazolyum nitrat gibi) termal bozunma sırasında yanıcı gazlar üretir. Termal kararlılık ve erime noktası , sıvının bileşenlerine bağlıdır. İyonik sıvıların termal kararlılığı <225 °C'dir.

IL'lerin çözünürlük özellikleri çeşitlidir. Doymuş alifatik bileşikler genellikle iyonik sıvılarda yalnızca çok az çözünürken , alkenler biraz daha fazla çözünürlük gösterir ve aldehitler tamamen karışabilir. Çözünürlük farklılıklarından hidrojenasyon ve hidrokarbonilasyon prosesleri gibi bifazik katalizde yararlanılabilir, bu da ürünlerin ve/veya reaksiyona girmemiş substrat(lar)ın nispeten kolay ayrılmasını sağlar. Gaz çözünürlüğü , birçok iyonik sıvıda iyi çözünürlük gösteren karbondioksit gazı ile aynı eğilimi takip eder . Karbon monoksit iyonik sıvılarda birçok popüler organik çözücüye göre daha az çözünür ve hidrojen sadece az çözünür (sudaki çözünürlüğe benzer) ve daha yaygın iyonik sıvılar arasında nispeten az değişebilir.

Bazı IL'ler çok düşük sıcaklıklara (hatta −150 °C) kadar donmaz , N-metil-N-alkilpirolidinyum katyonları ve florosülfonil-triflorometansülfonilimit (FTFSI) içeren iyonik sıvılarda cam geçiş sıcaklığı −100 °C'nin altında tespit edildi ).

Su, atmosferden emilebildiği ve nispeten düşük konsantrasyonlarda bile RTIL'lerin taşıma özelliklerini etkilediği için iyonik sıvılarda yaygın bir safsızlıktır.

Çeşitler

27 °С'de sofra tuzu NaCl ve iyonik sıvı 1-bütil-3-metilimidazolyum bis(triflorometilsülfonil)imid

Oda sıcaklığındaki RTIL'ler

katyonlar

Oda sıcaklığında iyonik sıvılar (RTIL'ler), 1-metilimidazolden, yani 1-alkil-3-metilimidazolyumdan türetilen tuzlardan oluşur. Örnekler arasında 1-etil-3-metil-(EMIM), 1-bütil-3-metil-(BMIM), 1-oktil-3-metil (OMIM), 1-desil-3-metil-(DMIM), 1- dodesil-3-metil-dosesilMIM). Diğer imidazolyum katyonları, 1-bütil-2,3-dimetilimidazolyum (DBMIM), 1,3-di(N,N-dimetilaminoetil)-2-metilimidazolyum (DAMI) ve 1-bütil-2,3-dimetilimidazolyumdur (BMMIM) . Diğer N-heterosiklik katyonlar piridinden türetilir : 4-metil-N-bütil-piridinyum (MBPy) ve N-oktilpiridinyum (C8Py). Geleneksel kuaterner amonyum katyonları da IL'ler oluşturur, örneğin tetraetilamonyum (TEA) ve tetrabutilamonyum (TBA) .

Fosfonyum katyonları (R 4 P + ) daha az yaygındır ancak bazı avantajlı özellikler sunar.

anyonlar

İyonik sıvılardaki tipik anyonlar şunları içerir: tetrafloroborat (BF 4 ) , heksaflorofosfat (PF 6 ) , bis-triflorometansülfonimid (NTf 2 )

Düşük sıcaklık çeşitleri

Düşük sıcaklıklı iyonik sıvılar (130 K'nin altında  ) , Ay'a dayalı olarak son derece geniş çaplı dönen sıvı aynalı bir teleskop için sıvı taban olarak önerilmiştir . Düşük sıcaklık, görünür evrenin en uzak kısımlarından gelen ışığın (son derece kırmızıya kaymış ) biçimi olan uzun dalga kızılötesi ışığın görüntülenmesinde avantajlıdır . Böyle bir sıvı baz, yansıtıcı yüzeyi oluşturan ince bir metalik film ile kaplanacaktır. Düşük uçuculuk, buharlaşmayı önlemek için ay vakum koşullarında önemlidir.

Protik iyonik sıvılar

Protik iyonik sıvılar , bir asitten bir baza bir proton transferi yoluyla oluşturulur . Genellikle bir dizi sentez adımıyla oluşturulan diğer iyonik sıvıların aksine , asit ve bazın basitçe karıştırılmasıyla protik iyonik sıvılar daha kolay oluşturulabilir.

Poli(iyonik sıvı)s

Polimerize iyonik sıvılar, poli(iyonik sıvı)lar veya polimerik iyonik sıvılar, tümü PIL olarak kısaltılır, iyonik sıvıların polimerik şeklidir. Bir iyon polimerik bir zincir oluşturmak üzere polimer parçası olarak sabitlendiğinden, iyonik sıvıların iyonikliğinin yarısına sahiptirler. PIL'ler, iyonik sıvılarınkiyle karşılaştırılabilir benzer bir uygulama yelpazesine sahiptir, ancak polimer mimarisi, iyonik iletkenliği kontrol etmek için daha iyi bir şans sağlar. Akıllı malzemeler veya katı elektrolitler tasarlamak için iyonik sıvıların uygulamalarını genişlettiler.

Manyetik iyonik sıvılar

Manyetik iyonik sıvılar, paramanyetik elementlerin iyonik sıvı moleküllerine dahil edilmesiyle sentezlenebilir . Bir örnek, 1-bütil-3-metilimidazolyum tetrakloroferrattır .

Ticari uygulamalar

Birçok uygulama değerlendirildi, ancak yalnızca bir tanesi ticarileştirildi. IL'ler, alkilasyonu katalize ederek benzin üretiminde kullanılır .

Chevron tarafından uygulandığı gibi 2,4-dimetilpentana (benzin bileşeni) IL katalizli yol .

Tetraalkil fosfonyum iyodür bazlı bir IL , bütadien monoepoksitini yeniden düzenlemek için bir katalizör olarak işlev gören tributiltin iyodür için bir çözücüdür . Bu işlem, 2,5-dihidrofuran için bir yol olarak ticarileştirildi , ancak daha sonra durduruldu.

Potansiyel uygulamalar

Kataliz

IL'ler, paladyum nanopartiküllerin katalitik performansını iyileştirir. Ayrıca iyonik sıvılar, kimyasal dönüşümler için ön katalizörler olarak kullanılabilir. Bu bağlamda, [EMIM]Ac gibi dialkilimidazolyumlar, N-heterosiklik karbenler (NHC'ler) oluşturmak için bir baz ile kombinasyon halinde kullanılmıştır . Bu imidazolyum bazlı NHC'lerin, Benzoin yoğunlaşması ve OTHO reaksiyonu gibi bir dizi dönüşümü katalize ettiği bilinmektedir .

İlaç

Ticari farmasötiklerin yaklaşık %50'sinin tuz olduğu kabul edilerek, birçok farmasötik maddenin iyonik sıvı formları araştırılmıştır. Farmasötik olarak aktif bir katyonun farmasötik olarak aktif bir anyonla birleştirilmesi, iki ilacın etkilerinin birleştirildiği bir Dual Active iyonik sıvıya yol açar.

IL'ler, Artemisia annua bitkisinden sıtma önleyici ilaç artemisinin gibi farmasötik, beslenme ve kozmetik uygulamalar için bitkilerden spesifik bileşikler çıkarabilir .

Biyopolimer işleme

IL'ler tarafından selülozun çözünmesi ilgi çekmiştir. 1930 tarihli bir patent başvurusu, 1-alkilpiridinyum klorürlerin selülozu çözdüğünü gösterdi. Kağıt hamuru ve kağıdın çözünmesi için sulu olmayan bir çözücü olarak hidratlı N-Metilmorfolin N-oksit kullanan liyosel işleminin adımlarını takip edin . Kimya endüstrilerinde ve araştırma laboratuvarlarında üretilen kağıt mendil atığı gibi selüloz bazlı malzemelerin oda sıcaklığında IL 1-bütil-3-metilimidazolyum klorür, bmimCl'de çözünmesi ve bu selüloz matrisinden elektrodepozisyon yoluyla değerli bileşiklerin geri kazanılması incelenmiştir. Selülozun "değerlendirilmesi", yani daha değerli kimyasallara dönüştürülmesi, iyonik sıvıların kullanılmasıyla sağlanmıştır. Temsili ürünler glukoz esterleri, sorbitol ve alkilgikozitlerdir. IL 1-bütil-3-metilimidazolyum klorür dondurularak kurutulmuş muz hamurunu çözer ve ilave %15 dimetil sülfoksit ile kendini Karbon-13 NMR analizine verir. Bu şekilde nişasta , sakaroz , glikoz ve fruktozdan oluşan tüm kompleks , muz olgunlaşmasının bir fonksiyonu olarak izlenebilir.

Selülozun ötesinde, IL'ler ayrıca kitin / kitosan , nişasta , aljinat , kollajen, jelatin , keratin ve fibroin gibi diğer biyopolimerlerin çözünmesi, özütlenmesi, saflaştırılması, işlenmesi ve modifikasyonunda potansiyel göstermiştir . Örneğin, IL'ler farklı formlarda (örneğin süngerler, filmler, mikropartiküller, nanopartiküller ve aerojeller) biyopolimer malzemelerin hazırlanmasına ve biyopolimer bazlı ilaç/gen taşıyıcılara yol açan daha iyi biyopolimer kimyasal reaksiyonlarına izin verir. Ayrıca, IL'ler, yüksek verimlilik ve ikame dereceleri (DS) ile kimyasal olarak modifiye edilmiş nişastaların sentezini ve termoplastik nişasta, kompozit filmler, katı polimer elektrolitler, nanopartiküller ve ilaç taşıyıcıları gibi çeşitli nişasta bazlı malzemelerin geliştirilmesine olanak tanır.

Nükleer yakıtın yeniden işlenmesi

IL 1-bütil-3-metilimidazolyum klorür, kullanılmış nükleer yakıttan ve diğer kaynaklardan uranyum ve diğer metallerin geri kazanılması için araştırılmıştır . Protonlanmış betain bis(triflorometansülfonil) imid, uranyum oksitler için bir çözücü olarak araştırılmıştır. İyonik sıvılar, N-butil-N-metilpirrolidinyum bis(triflorometilsülfonil)imid ve N-metil-N-propilpiperidinyum bis(triflorometilsülfonil)imid, sırasıyla öropyum ve uranyum metallerinin elektrodepozisyonu için araştırılmıştır.

Güneş termal enerjisi

IL'ler, güneş termal enerji sistemlerinde potansiyel ısı transferi ve depolama ortamıdır . Parabolik oluklar ve güneş enerjisi kuleleri gibi konsantre güneş enerjisi tesisleri , güneş enerjisini yaklaşık 600 °C (1,112 °F) sıcaklık üretebilen bir alıcıya odaklar. Bu ısı daha sonra bir buhar veya başka bir döngüde elektrik üretebilir. Bulutlu dönemlerde tamponlama için veya gece boyunca üretimi mümkün kılmak için, bir ara akışkanın ısıtılmasıyla enerji depolanabilir. Nitrat tuzları 1980'lerin başından beri tercih edilen ortam olmasına rağmen, 220 °C'de (428 °F) donarlar ve bu nedenle katılaşmayı önlemek için ısıtma gerektirirler. C gibi iyonik sıvılarmim
4[ ŞK
4] daha uygun sıvı faz sıcaklık aralıklarına (-75 ila 459 °C) sahiptir ve bu nedenle mükemmel sıvı termal depolama ortamı ve ısı transfer sıvıları olabilir.

Atık geri dönüşümü

IL'ler sentetik ürünlerin, plastiklerin ve metallerin geri dönüştürülmesine yardımcı olabilir. Bunlar, ayırma birbirlerinden benzer bileşikleri, ayırmak için gereken bir spesifiklik sunması polimerler olarak plastik atık akımları. Bu, mevcut yaklaşımlardan daha düşük sıcaklıkta ekstraksiyon süreçleri kullanılarak başarılmıştır ve plastiklerin yakılmasından veya çöp sahasına atılmasından kaçınmaya yardımcı olabilir.

Piller

IL'ler, metal-hava pillerinde elektrolit olarak suyun yerini alabilir . IL'ler düşük buhar basınçlarından dolayı çekicidir. Ayrıca, IL'ler, daha enerji yoğun metalleri destekleyen altı volta kadar (su için 1,23'e karşı) elektrokimyasal bir pencereye sahiptir. Kilogram başına 900-1600 watt-saat arasında enerji yoğunlukları mümkün görünmektedir.

Dispersiyon maddesi

IL'ler olarak hareket edebilir dağıtıcı maddeler olarak boya kaplama, görünüm ve kurutma özelliklerini geliştirmek için. IL'ler, IOLITEC'te nanomalzemeleri dağıtmak için kullanılır .

Karbon yakalama

Ana madde: Karbon yakalamada iyonik sıvılar

IL'ler ve aminler , karbondioksit CO'yu yakalamak için araştırılmıştır.
2ve doğal gazın arıtılması .

triboloji

Bazı iyonik sıvıların temel tribolojik testlerde sürtünmeyi ve aşınmayı azalttığı gösterilmiştir ve polar yapıları onları tribotronic uygulamalar için aday yağlayıcılar yapar . İyonik sıvıların nispeten yüksek maliyeti şu anda saf yağlayıcılar olarak kullanılmasını engellese de, iyonik sıvıların ağırlıkça % 0,5 kadar düşük konsantrasyonlarda eklenmesi geleneksel baz yağların yağlama performansını önemli ölçüde değiştirebilir. Bu nedenle, araştırmaların mevcut odak noktası, genellikle yaygın olarak kullanılan, ekolojik olarak zararlı yağlayıcı katkı maddelerinin yerine geçme motivasyonuyla, yağlama yağlarına katkı maddesi olarak iyonik sıvıların kullanılmasıdır . Bununla birlikte, iyonik sıvıların iddia edilen ekolojik avantajı defalarca sorgulanmıştır ve henüz yaşam döngüsü perspektifinden gösterilmemiştir.

Emniyet

İyonik sıvıların düşük uçuculuğu, çevresel salınım ve kontaminasyon için önemli bir yolu etkin bir şekilde ortadan kaldırır.

İyonik sıvıların sudaki toksisitesi, mevcut birçok çözücü kadar veya ondan daha şiddetlidir.

Ultrason , hidrojen peroksit ve asetik asit ile imidazolyum bazlı iyonik sıvıların çözeltilerini nispeten zararsız bileşiklere indirgeyebilir .

Düşük buhar basıncına rağmen birçok iyonik sıvı yanıcıdır .

Ayrıca bakınız

Referanslar

Dış bağlantılar