Líquido iónico

A 1-butil-3-metilimidazolio (bmim) sal.

Un líquido iónico es un líquido que contiene esencialmente sólo iones . Algunos líquidos iónicos, tales como nitrato etilamonio. están en un equilibrio dinámico, donde en cualquier momento más de 99,99% del líquido se compone de iónica en lugar de especies moleculares. En sentido amplio, el término incluye todas fundido sales, por ejemplo, cloruro de sodio a temperaturas superiores a 800 ° C. Hoy en día, sin embargo, el término "líquido iónico" se utiliza comúnmente para sales cuyos punto de fusión es relativamente bajo (por debajo de 100 ° C). En particular, las sales que son líquidos a temperatura ambiente se llaman líquidos iónicos de temperatura ambiente, o RTIL s. También existen mezclas de sustancias que tienen bajos puntos de fusión, llamados Disolvente eutéctica Profundo, o DES, que tiene muchas similitudes con los líquidos iónicos.

Historia

La fecha del descubrimiento, así como descubridor, de la "primera" líquido iónico es disputado. Nitrato etanolamonio (pf 52-55 ° C) se informó en 1888 por Gabriel. Sin embargo, uno de los líquidos iónicos anteriormente conocido temperatura verdaderamente habitación era [EtNH _3] ⁺ _[NO3] ^- (pf 12 ° C), la síntesis de la que se publicó en 1914. Mucho más tarde, la serie de los líquidos iónicos a base de mezclas de 1,3-dialquilimidazolio o 1-alquilpiridinio haluros y trihalogenoaluminates, desarrollados inicialmente para su uso como electrolitos, iban a seguir. Una propiedad importante de las sales halogenoaluminate imidazolio era que eran sintonizable - la viscosidad, punto de fusión y de la acidez de la masa fundida se podrían ajustar cambiando los alquilo sustituyentes y la relación de imidazolio o haluro de piridinio a halogenoaluminate.

Un inconveniente importante era su sensibilidad a la humedad y, aunque en un grado algo menor, su acidez / basicidad, esta última que a veces puede ser utilizado para una ventaja. En 1992, Wilkes y Zawarotko informaron la preparación de líquidos iónicos con alternativa, «neutral», aniones débilmente coordinación tales como hexafluorofosfato de ([PF _6] ^-) y tetrafluoroborato ([BF _4]) ^-, lo que permite una gama mucho más amplia de aplicaciones para líquidos iónicos. No fue hasta hace poco que una clase de nuevo, aire y humedad estables, los líquidos iónicos neutros, se disponía que el campo atrajo gran interés de la comunidad científica en general.

Más recientemente, la gente ha estado alejando de _[PF6] ^- y [BF _4] ^-, ya que son altamente tóxicos, y hacia nuevos aniones tales como bistriflimide [(CF ₃ SO _{2) 2} N] ^- o incluso fuera de compuestos halogenados completamente. Los movimientos hacia cationes menos tóxicos también han ido creciendo, con compuestos como sales de amonio (tales como colina) siendo tan flexible como un andamio imidazol.

Características

Los líquidos iónicos son eléctricamente conductor y tienen muy baja presión del vapor. (Sus olores perceptibles son probablemente debido a las impurezas.) Sus otras propiedades son diversas. Muchos tienen baja combustibilidad, excelente estabilidad térmica, una amplia gama de líquido, y favorable solvatante propiedades para diversos compuestos. Muchas clases de reacciones químicas , tales como Reacciones de Diels-Alder y Reacciones de Friedel-Crafts, se pueden realizar usando líquidos iónicos como disolventes. Trabajos recientes han demostrado que los líquidos iónicos pueden servir como disolventes para la biocatálisis. La miscibilidad de los líquidos iónicos orgánicos con agua o disolventes varía con longitudes de cadena lateral sobre el catión y con la opción de anión . Ellos pueden ser funcionalizados para actuar como ácidos , bases o ligandos, y se han utilizado como sales precursoras en la preparación de carbenos estables. Debido a sus propiedades distintivas, los líquidos iónicos están atrayendo cada vez más atención en muchos campos, incluyendo la química orgánica , electroquímica, la catálisis , química física y la ingeniería ; véase, por ejemplo líquido iónico magnético.

A pesar de sus presiones de vapor extremadamente baja, algunos líquidos iónicos pueden ser destilada en condiciones de vacío a temperaturas cercanas a 300 ° C. Algunos líquidos iónicos (tales como 1-butil-3-metilimidazolio nitrato) generan gases inflamables sobre la descomposición térmica. La estabilidad térmica y punto de fusión dependen de los componentes del líquido. La estabilidad térmica de los diversos RTILs están disponibles. La estabilidad térmica de un líquido iónico-tarea específica, bis betaína protonadas (trifluorometanosulfonil) imida es de alrededor de 534 K y N-butil-N-metil pirrolidinio bis (trifluorometanosulfonil) imida era térmicamente estable hasta 640 K

La solubilidad de diferentes especies en los líquidos iónicos de imidazolio depende principalmente de la capacidad de unión de polaridad y de hidrógeno. Simple compuestos alifáticos son generalmente sólo escasamente soluble en líquidos iónicos, mientras que las olefinas muestran algo mayor solubilidad, y aldehídos pueden ser completamente miscible. Esto puede ser explotado en la catálisis bifásica, tales como hidrogenación procesos y hidrocarbonilación, lo que permite relativamente fácil separación de los productos y / o sustrato sin reaccionar (s). La solubilidad del gas sigue la misma tendencia, con dióxido de carbono gas que muestra la solubilidad excepcional en muchos líquidos iónicos, el monóxido de carbono que es menos soluble en los líquidos iónicos que en muchos disolventes orgánicos populares, y de hidrógeno siendo sólo ligeramente soluble (similar a la solubilidad en agua) y probablemente variando relativamente poco entre los líquidos iónicos más populares. (Diferentes técnicas de análisis han arrojado algo diferentes valores de solubilidad absolutos.)

Líquidos iónicos a temperatura ambiente

Líquidos iónicos a temperatura ambiente consisten orgánicos voluminosos y asimétricas cationes tales como 1-alquil-3-metilimidazolio, 1-alquilpiridinio, N-metil-N-alkylpyrrolidinium y iones amonio. Una amplia gama de aniones se emplea, desde la simple halogenuros, que generalmente matizar altos puntos de fusión, a los aniones inorgánicos, tales como tetrafluoroborato y hexafluorofosfato y para grandes aniones orgánicos como bistriflimide, triflato o tosilato. Hay también muchos ejemplos interesantes de los usos de los líquidos iónicos con aniones orgánicos no halogenados simples como formiato, sulfato de alquilo, o alquilfosfato glicolato. Como un ejemplo, el punto de fusión de 1-butil-3-metilimidazolio tetrafluoroborato o [bmim] [BF _4] con una esqueleto de imidazol es de aproximadamente -80 ° C, y es un líquido incoloro con alto viscosidad a temperatura ambiente.

Se ha señalado que en muchos procesos sintéticos utilizando catalizador de metal de transición, nanopartículas metálicas juegan un papel importante como catalizador real o como un depósito de catalizador. También se ha demostrado que los líquidos iónicos (ILS) son un medio atractivo para la formación y estabilización de las nanopartículas de metales de transición catalíticamente activos. Más importante aún, los líquidos iónicos pueden hacer que incorporan grupos coordinadores ,, por ejemplo, con grupos nitrilo ya sea en el catión o anión (CN-IL). En diversas reacciones de acoplamiento CC catalizadas por catalizador de paladio, se ha encontrado el paladio nanopartículas se estabilizan mejor en CN-IL comparación con los líquidos iónicos no funcionalizado; actividad catalítica así mejorada y capacidad de reciclaje se realicen.

Líquidos iónicos a baja temperatura

Líquidos iónicos de baja temperatura (por debajo de 130 grados Kelvin ) se han propuesto como la base de fluidos para un diámetro muy grande hilado telescopio de espejo líquido que se basa en la luna de la tierra. Baja temperatura es ventajosa en la luz infrarroja de onda larga de imagen que es la forma de la luz (extremadamente rojo-movió ) que llega desde las partes más distantes del universo visible. Tal una base líquida estaría cubierta por una película metálica delgada que forma la superficie reflectante. Una baja volatilidad es importante para su uso en las condiciones de vacío presentes en la luna.

Ciencia de los alimentos

El campo de aplicación de líquido iónico se extiende también a la ciencia de los alimentos. [Bmim] Cl, por ejemplo, es capaz de disolver por completo liofilizado plátano pulpa y la solución con un 15% adicional DMSO se presta a Carbon-13 NMR análisis. De esta manera todo el plátano maquillaje composicional de almidón, sacarosa , glucosa , y fructosa se puede controlar como una función de la maduración de plátanos.

Seguridad

Debido a su no volatilidad, eliminando efectivamente una vía importante para la liberación al medio ambiente y la contaminación, los líquidos iónicos han sido considerados como tener un bajo impacto en el medio ambiente y la salud humana, y por lo tanto reconocido como disolventes para química verde. Sin embargo, esto es distinto de toxicidad, y queda por ver cómo se considerarán ILs 'ecológicos' una vez ampliamente utilizado por la industria. La investigación sobre IL toxicidad acuática ha demostrado que no son tan tóxicos o más que muchos solventes actuales ya en uso. Un artículo de revisión en este aspecto ha sido publicado en 2007. La investigación disponible también muestra que la mortalidad no es necesariamente la métrica más importante para medir su impacto en los medios acuáticos, como se ha demostrado que las concentraciones subletales de cambiar las historias de vida de organismos 'en sentido maneras. Según estos investigadores equilibrio entre cero Las emisiones de COV y derrames evitando en cursos de agua (a través de lagunas de desechos / arroyos, etc.) deben convertirse en una prioridad. Sin embargo, con la enorme diversidad de sustituyentes disponibles para hacer líquidos iónicos útiles, debería ser posible para ellos diseñar con propiedades físicas útiles y propiedades químicas menos tóxicas.

Con respecto a la eliminación segura de los líquidos iónicos, un documento de 2007 se ha informado de la utilización de ultrasonido para degradar soluciones de líquidos iónicos a base de imidazolio con peróxido de hidrógeno y ácido acético a compuestos relativamente inocuos.

A pesar de su baja presión de vapor muchos líquidos iónicos también han resultado ser combustible y por lo tanto requieren un manejo cuidadoso. La exposición breve (5 a 7 segundos) a una antorcha de llama se encenderá estos IL de y algunos de ellos incluso están completamente consumido por la combustión.

Aplicaciones industriales

Hoy en día los líquidos iónicos encontrar un número de aplicaciones industriales que varían mucho en carácter. Algunas de sus aplicaciones industriales se describen brevemente a continuación; información más detallada se puede encontrar en un reciente artículo de revisión.

El proceso ALBAHACA

La primera aplicación industrial importante de ILs fue el proceso Albahaca de BASF, en el que se utilizó 1-metilimidazol para captar el ácido a partir de un proceso existente. Esto resulta en la formación de un IL que puede ser fácilmente eliminado de la mezcla de reacción. Pero la eliminación más fácil de un producto secundario no deseado (como IL más que como una sal sólida) no es la única ventaja del procedimiento basado IL. Mediante el uso de un IL fue posible aumentar el rendimiento espacio / tiempo de la reacción por un factor de 80.000. Debe, sin embargo, tener en cuenta que las mejoras de tal escala son raras.

Procesamiento de Celulosa

Ocurriendo en un volumen de unos 700 mil millones de toneladas, celulosa es más extendida química orgánica natural de la Tierra y, por tanto, de gran importancia como un recurso bio-renovable. Pero incluso fuera de la naturaleza 40 mil millones de toneladas renueva cada año, sólo aprox. 0200000000 toneladas se utilizan como materia prima para su posterior procesamiento. Una explotación más intensiva de la celulosa como materia prima biorenewable hasta la fecha ha sido impedido por la falta de un disolvente adecuado que se puede utilizar en procesos químicos. Robin Rogers y colaboradores en la Universidad de Alabama han encontrado que por medio de líquidos iónicos, sin embargo, las soluciones reales de celulosa pueden ahora ser producidos por primera vez en concentraciones técnicamente útiles. Por tanto, esta nueva tecnología abre un gran potencial para el procesamiento de celulosa.

Por ejemplo, la fabricación de fibras celulósicas de la denominada pasta soluble actualmente implica el uso y posterior eliminación, de grandes volúmenes de diversos auxiliares químicos, esp. disulfuro de carbono _(CS2). Importantes volúmenes de aguas residuales también se producen por razones de proceso y tienen que ser eliminados. Estos procesos se pueden simplificar en gran medida por el uso de líquidos iónicos, que sirven como disolventes y se reciclan casi en su totalidad. El "Institut für Textilchemie und Chemiefasern" (ITCF) en Denkendorf y BASF están investigando conjuntamente las propiedades de las fibras hiladas a partir de una solución de líquido iónico de la celulosa en una configuración de planta piloto.

Planta de dengue hemorrágico de Eastman Chemical

Eastman haber operado una planta a base de líquido iónico para la síntesis de 2,5-dihidrofurano, de 1996 a 2004. Sin embargo, la planta ya no existe porque la demanda del producto ha cesado.

Dimersol - Difasol

El proceso de Dimersol es una forma tradicional de dimerise alquenos de cadena corta en alquenos ramificados de mayor peso molecular. Premio Nobel Yves Chauvin y Hélène Olivier-Bourbigou en IFP (Francia) han desarrollado un iónica a base líquida complemento de este proceso llamado proceso Difasol. Sin embargo, aunque puede tener una licencia que ha todavía no ha puesto en práctica comercial.

Petrochina

Petrochina ha anunciado la implementación de un proceso basado en el líquido iónico llamado Ionikylation. Este proceso, la alquilación de olefinas C4 con iso-butano, se ha montado posteriormente en una tonelada 65.000 por planta de alquilación años, convirtiéndose en el mayor aplicación industrial del ILS hasta la fecha.

Aditivos para pinturas Degussa

Los líquidos iónicos pueden mejorar el acabado, apariencia y propiedades de secado de las pinturas. Degussa es la comercialización de tales ILs bajo el nombre de Tego® Dispers. Estos productos también se añaden a la gama de pintura Pliolite®.

Productos de aire - ILs como medio de transporte de gases reactivos

Productos de aire hacen uso de líquidos iónicos como un medio para el transporte de gases reactivos en. Los gases reactivos tales como trifluoroborano, fosfina o arsina, BF3, PH3 o AsH3, respectivamente, se almacenan en líquidos iónicos adecuados a presión sub-ambiente. Esta es una mejora significativa sobre los cilindros presurizados. Los gases son fácilmente retirados de los recipientes mediante la aplicación de un vacío.

De Linde IL 'pistón'

Mientras sistema Gasguard de Air Products se basa en la solubilidad de algunos gases en líquidos iónicos, Linde están explotando insolubilidad otros gases 'en líquidos iónicos. Como se mencionó anteriormente, la solubilidad del hidrógeno en ILS es muy bajo. Linde ahora hacer uso de esta insolubilidad mediante el uso de un cuerpo de líquido iónico para comprimir el hidrógeno en las estaciones de servicio; y al hacerlo se redujeron el número de piezas móviles de alrededor de 500 en un motor de bomba de pistón convencional a 8.

Industria nuclear

RTILs se exploran ampliamente para diversas aplicaciones innovadoras en la industria nuclear. Incluye aplicación de líquido iónico como agente de extracción / diluyente en los sistemas de extracción de solventes, como los medios de comunicación electrolito alternativo para el procesamiento piroquímico alta temperatura, etc. Estudios fundamentales sobre la electrodeposición cum extracción de productos de fisión como el uranio, el paladio, etc., a partir de combustible nuclear gastado usando se informan RTILs como extractantes. Los informes sobre el empleo utilizando líquidos iónicos como medios electrolito no aquoues para la recuperación de uranio y de fisión útil productos como el paladio y el rodio de combustible nuclear gastado son también available.Studies sobre el comportamiento electroquímico de uranio (VI) en el líquido iónico, 1-butilo cloruro de -3-metilimidazolio y también la recuperación de productos de fisión valiosos a partir de residuos de papel tisú se estudió en los líquidos iónicos a temperatura ambiente ..