Liquide ionique

A 1-butyl-3-méthylimidazolium (BMIM) sel.

Un liquide ionique est un liquide qui contient essentiellement uniquement des ions . Certains liquides ioniques, tels que nitrate -éthylammonium. sont en équilibre dynamique où à tout moment plus de 99,99% du liquide est composé ionique plutôt que des espèces moléculaires. Au sens large, le terme inclut tous fondu sels, par exemple, chlorure de sodium à des températures supérieures à 800 ° C. Aujourd'hui, cependant, le terme «liquide ionique» est couramment utilisé pour les sels dont le point de fusion est relativement faible (en dessous de 100 ° C). En particulier, les sels qui sont liquides à température ambiante sont appelés liquides ioniques à température ambiante, ou RTIL s. Il existe également des mélanges de substances qui ont des points de fusion bas, appelés Solvant eutectique profond, ou DES, qui ont de nombreuses similitudes avec les liquides ioniques.

Histoire

La date de la découverte, ainsi que découvreur, de la "première" liquide ionique est contestée. Nitrate éthanolammonium (pf 52-55 ° C) a été signalé en 1888 par Gabriel. Cependant, l'un des liquides ioniques précédemment connu vraiment de température ambiante était [EtNH _3] ⁺ [N _3] ^- (point de fusion 12 ° C), la synthèse de ce qui a été publié en 1914. Beaucoup plus tard, série de liquides ioniques à base de mélanges de 1,3-dialkylimidazolium ou 1-alkylpyridinium halogénures et trihalogenoaluminates, initialement développés pour une utilisation comme électrolytes, devaient suivre. Une propriété importante des sels d'imidazolium de halogenoaluminate était qu'ils étaient accordable - viscosité, point de fusion et l' acidité de la masse fondue peuvent être ajustées en changeant les alkyles substituants et le rapport de imidazolium ou un halogénure de pyridinium à halogenoaluminate.

Un inconvénient majeur est leur sensibilité à l'humidité et, quoique dans une moindre mesure, leur acidité / basicité, ce dernier qui peut parfois être utilisé pour un avantage. En 1992, Wilkes et Zawarotko rapporté la préparation de liquides ioniques avec Alternative, «neutre», des anions faiblement coordinants tels que hexafluorophosphate ([PF _6] ^-) et tétrafluoroborate ([BF _4]) ^-, ce qui permet une plus large gamme d'applications pour les liquides ioniques. Ce ne est que récemment qu'une nouvelle classe de, l'air et l'humidité stable, liquides ioniques neutres, ne était disponible que le champ a attiré beaucoup d'intérêt de la communauté scientifique au sens large.

Plus récemment, les gens se sont éloignés de [PF _6] ^- et [BF _4] ^- car ils sont hautement toxiques, et vers de nouveaux anions tels que bistriflimidure [(CF ₃ SO _{2) 2} N] ^- ou même loin de composés halogénés complètement. Se déplace vers cations moins toxiques ont également été de plus en plus, avec des composés tels que les sels d'ammonium (tels que la choline) étant juste un échafaudage aussi souple que imidazole.

Caractéristiques

Les liquides ioniques sont électriquement conductrice et ont extrêmement faible la pression de vapeur. (Leurs odeurs notables sont probablement dues à des impuretés.) Leurs autres propriétés sont diverses. Beaucoup ont une faible combustibilité, une excellente stabilité thermique, une plage de liquide large et favorable solvatant propriétés pour divers composés. De nombreuses classes de réactions chimiques , telles que Réactions de Diels-Alder et Les réactions de Friedel-Crafts, peuvent être effectuées en utilisant les liquides ioniques comme solvants. Des travaux récents ont montré que les liquides ioniques peuvent servir de solvants pour la biocatalyse. La miscibilité des liquides ioniques avec de l'eau ou organiques solvants varie avec des longueurs de chaîne latérale sur le cation et avec choix de l'anion . Ils peuvent être fonctionnalisés pour agir comme des acides , bases ou ligands, et ont été utilisés comme sels précurseurs dans la préparation de carbènes stables. En raison de leurs propriétés distinctives, liquides ioniques attirent une attention croissante dans de nombreux domaines, y compris la chimie organique , électrochimie, la catalyse , physico-chimie et l'ingénierie ; voir par exemple liquide ionique magnétique.

En dépit de leurs pressions de vapeur extrêmement faible, des liquides ioniques peuvent être distillés sous vide à des températures proches de 300 ° C. Certains liquides ioniques (tels que le 1-butyl-3-méthylimidazolium nitrate) génèrent des gaz inflammables par décomposition thermique. La stabilité thermique et un point de fusion dépendent des composants du liquide. La stabilité thermique de divers RTILS sont disponibles. La stabilité thermique d'un liquide ionique spécifique à la tâche, de bétaïnes protonés bis (trifluorométhanesulfonyl) imide est d'environ 534 K et N-butyl-N-méthyl pyrrolidinium bis (trifluorométhanesulfonyl) imide est thermiquement stable jusqu'à 640 K

La solubilité des espèces différentes dans des liquides ioniques imidazolium dépend principalement de la polarité et de l'hydrogène capacité de liaison. Simple des composés aliphatiques sont généralement que peu soluble dans des liquides ioniques, alors que les oléfines présentent un peu plus grande solubilité, et des aldéhydes peuvent être complètement miscible. Ceci peut être exploité en catalyse biphasique, tel que l'hydrogénation des processus et hydrocarbonylation, permettant une séparation relativement facile des produits et / ou les substrat (s) ne ayant pas réagi. solubilité de gaz suit la même tendance, avec le dioxyde de carbone gazeux montrant solubilité exceptionnelle dans de nombreux liquides ioniques, de monoxyde de carbone étant moins soluble dans les liquides ioniques que dans de nombreux solvants organiques appréciés, et l'hydrogène ne étant que légèrement soluble (similaire à la solubilité dans l'eau) et probablement variant relativement peu entre les liquides ioniques les plus populaires. (Techniques d'analyse différentes ont donné quelque peu différentes valeurs de solubilité absolus.)

liquides ioniques de température ambiante

les liquides ioniques à température de la chambre sont constitués de organiques volumineuses asymétriques et des cations tels que le 1-alkyl-3-méthylimidazolium, 1-alkylpyridinium, N-méthyl-N-alkylpyrrolidinium et des ions ammonium. Un large éventail d' anions est employé, de la simple halogénures, qui infléchissent généralement des points de fusion élevés, à des anions inorganiques tels que tétrafluoroborate et hexafluorophosphate et de gros anions organiques tels que bistriflimidure, triflate ou tosylate. Il ya aussi de nombreux exemples intéressants d'utilisation de liquides ioniques avec des anions organiques non-halogénés simples tels que le formiate, l'alkylsulfate, phosphate d'alkyle ou glycolate. A titre d'exemple, le point de fusion de 1-butyl-3-méthylimidazolium ou le tétrafluoroborate de [bmim] [BF _4] avec un imidazole squelette est d'environ -80 ° C, et ce est un liquide incolore à haut viscosité à la température ambiante.

Il a été souligné que, dans de nombreux procédés de synthèse en utilisant un catalyseur de métal de transition, des nanoparticules métalliques jouent un rôle important en tant que catalyseur réelle ou comme un réservoir de catalyseur. Il a également été démontré que les liquides ioniques (ILS) sont un moyen attrayant pour la formation et la stabilisation des nanoparticules de métaux de transition catalytiquement actifs. Plus important encore, ILs peuvent être faites qui intègrent des groupes de coordination ,, par exemple, groupes nitrile sur l'une ou l'autre cation ou anion (CN-IL). Dans diverses réactions de couplage catalysées par CC catalyseur au palladium, on a trouvé le palladium nanoparticules sont mieux stabilisées en CN par rapport à l'IL-liquides ioniques non fonctionnalisés; l'activité catalytique ainsi améliorée et la recyclabilité sont réalisés.

Liquides ioniques à basse température

Les liquides ioniques à basse température (en dessous de 130 Kelvins de ) ont été proposés en tant que base pour fluide d'un grand diamètre filature télescope à miroir liquide à base sur la lune de la terre. Basse température est avantageux dans l'imagerie longue vague lumière infrarouge qui est la forme de la lumière (très décalée vers le rouge ) qui arrive de les parties les plus éloignées de l'univers visible. Une telle base liquide serait couvert par un film métallique mince qui forme la surface réfléchissante. Une faible volatilité est importante pour une utilisation dans les conditions de vide présents sur la lune.

la science alimentaire

La gamme de liquide ionique d'application se étend également à la science alimentaire. [Bmim] Cl par exemple, est capable de dissoudre complètement lyophilisé banane pâtes et la solution avec un supplément de 15% DMSO se prête à Carbon-13 analyse RMN. De cette manière, l'ensemble de banane de la composition de maquillage l'amidon, le saccharose , le glucose , et fructose peut être contrôlée en fonction de la maturation des bananes.

Sécurité

En raison de leur non-volatilité, éliminant ainsi une voie majeure pour la libération et la contamination de l'environnement, liquides ioniques ont été considérés comme ayant un faible impact sur l'environnement et la santé humaine, et donc reconnue comme solvants pour la chimie verte. Cependant, ce est distincte de la toxicité, et il reste à voir comment ILs «écologiques» seront considérées autrefois largement utilisée par l'industrie. Les recherches sur la toxicité aquatique IL a montré qu'ils soient comme toxiques ou plus que de nombreux solvants actuels déjà en usage. Un document d'examen sur cet aspect a été publié en 2007. Disponible recherche montre aussi que la mortalité ne est pas nécessairement la mesure la plus importante pour mesurer leurs impacts dans les milieux aquatiques, comme il a été démontré des concentrations sub-létales de changer l'histoire de vie organismes dans un sens façons. Selon ces chercheurs équilibrage entre zéro les émissions de COV, et les déversements en évitant dans les voies navigables (via étangs de déchets / flux, etc.) devraient devenir une priorité absolue. Cependant, avec l'énorme diversité des substituants disponibles pour faire ILs utiles, il devrait être possible de les concevoir avec des propriétés physiques utiles et propriétés chimiques moins toxiques.

En ce qui concerne l'élimination sûre des liquides ioniques, un document de 2007 a signalé l'utilisation de ultrasons pour dégrader solutions de liquides ioniques à base d'imidazolium-avec du peroxyde d'hydrogène et l'acide acétique à des composés relativement inoffensifs.

Malgré leur faible de nombreux liquides ioniques de pression de vapeur ont également trouvé que combustible et donc nécessitent une manipulation minutieuse. Une brève exposition (5-7 secondes) pour une torche de la flamme enflammer ces IL et de certains d'entre eux sont même complètement consommé par combustion.

Applications industrielles

Aujourd'hui liquides ioniques trouver un certain nombre d'applications industrielles qui varient grandement caractère. Quelques-uns de leurs applications industrielles sont brièvement décrites ci-dessous; des informations plus détaillées peuvent être trouvées dans un article de revue récente.

Le processus de BASILIC

La première application industrielle majeure de ILS a été le processus de BASILIC par BASF, dans lequel 1-méthylimidazole a été utilisé pour piéger l'acide à partir d'un processus existant. Il en résulte alors en la formation d'une IL qui peut être facilement éliminé du mélange réactionnel. Mais la suppression plus facile d'un produit secondaire indésirable (comme IL plutôt que sous forme de sel solide) ne est pas le seul avantage du procédé basé IL. En utilisant une IL il a été possible d'augmenter le rendement espace / temps de la réaction par un facteur de 80 000. Il convient, cependant, garder à l'esprit que les améliorations de telle ampleur sont rares.

traitement de la cellulose

Survenant à un volume d'environ 700 milliards de tonnes, cellulose est un produit chimique organique naturelle la plus répandue de la terre et, par conséquent, très important en tant que ressource de bio-renouvelable. Mais même sur les 40 milliards de tonnes nature renouvelle chaque année, seulement env. 0,2 milliards de tonnes sont utilisés comme matière première pour un traitement ultérieur. Une exploitation de cellulose comme matière première biorenouvelable plus intensive a jusqu'à présent été empêché par l'absence d'un solvant approprié qui peut être utilisé dans des procédés chimiques. Robin Rogers et ses collègues à l'Université de l'Alabama ont trouvé que au moyen de liquides ioniques, cependant, de véritables solutions de cellulose peuvent maintenant être produits pour la première fois à des concentrations techniquement utiles. Cette nouvelle technologie ouvre donc un grand potentiel pour le traitement de la cellulose.

Par exemple, la fabrication de fibres cellulosiques à partir de pâte dite dissolution implique actuellement l'utilisation, et l'élimination ultérieure, de grands volumes de divers produits chimiques auxiliaires, esp. le disulfure de carbone (CS _2). Grands volumes d'eaux usées sont également produits pour des raisons de procédure et doivent être éliminés. Ces processus peuvent être grandement simplifiées grâce à l'utilisation de liquides ioniques, qui servent de solvants et sont presque entièrement recyclés. Le "Institut für Textilchemie und Chemiefasern" (ITCF) à Denkendorf et BASF étudient conjointement les propriétés des fibres filées à partir d'une solution liquide ionique de cellulose dans une configuration d'usine pilote.

L'usine de DHF de Eastman Chemical

Eastman ont exploité une usine à base de liquide ionique pour la synthèse de 2,5-dihydrofurane de 1996 à 2004. Toutefois, l'usine est maintenant défunte parce que la demande pour le produit a cessé.

Dimersol - Difasol

Le processus de Dimersol est une façon traditionnelle de se dimériser courts alcènes de la chaîne en alcènes ramifiés de haut poids moléculaire. Lauréat du prix Nobel Yves Chauvin et Hélène Olivier-Bourbigou à l'IFP (France) ont développé un liquide ionique à base de-add-on à ce processus appelé le processus Difasol. Cependant, alors que peut être autorisé, il n'a encore pas été mis en pratique commerciale.

Petrochina

Petrochina ont annoncé la mise en œuvre d'un procédé à base de liquide ionique appelé Ionikylation. Ce processus, l'alkylation d'oléfines en C4 avec iso-butane, est aménagé en 65 000 tonnes par plante d'alkylation d'année, ce qui en fait la plus grande application industrielle de l'ILS à ce jour.

Degussa additifs pour peintures

Les liquides ioniques peuvent améliorer la finition, l'apparence et les propriétés de séchage de peintures. Degussa sont la commercialisation de ces ILs sous le nom de TEGO® Dispers. Ces produits sont également ajoutés à la gamme de peinture Pliolite®.

produits gonflables - ILS comme moyen de transport pour les gaz réactifs

AIR PRODUCTS font utilisation d'un ILS comme moyen de transporter des gaz réactifs dans. Les gaz réactifs tels que trifluoroborane, phosphine ou arsine, BF3, PH3 ou AsH3, respectivement, sont stockés dans ILS appropriés à la pression sous-ambiante. Il se agit d'une amélioration significative par rapport cylindres pressurisés. Les gaz sont facilement retirés des récipients en appliquant un vide.

Linde IL 'piston'

Alors que le système de Gasguard Air Produit repose sur la solubilité de certains gaz dans ILS, Linde exploitent de l'insolubilité d'autres gaz dans l'ILS. Comme mentionné ci-dessus, la solubilité de l'hydrogène dans ILS est très faible. Linde maintenant faire usage de cette insolubilité en utilisant un corps de liquide ionique pour comprimer l'hydrogène dans les stations-service; et, ce faisant, ils ont réduit le nombre de pièces en mouvement d'environ 500 à un moteur de la pompe à piston conventionnel jusqu'à huit.

Industrie nucléaire

RTILS sont largement explorées pour diverses applications innovantes dans l'industrie nucléaire. Il comprend l'application d'un liquide ionique en tant que solvant d'extraction / solvant dans les systèmes d'extraction au solvant, comme support d'électrolyte de remplacement pour le traitement pyrochimique à haute température, etc. études fondamentales sur électrodéposition extraction de sperme de produits de fission tels que l'uranium, le palladium, etc., à partir de combustible nucléaire usé en utilisant RTILS que d'extraction sont signalés. Rapports sur les employant utilisant des liquides ioniques que les médias d'électrolyte non-aquoues pour la récupération de l'uranium et de fission utiles produits comme le palladium et le rhodium du combustible nucléaire usé sont également available.Studies sur le comportement électrochimique de l'uranium (VI) dans un liquide ionique, 1-butyle -3-méthylimidazolium chlorure et également la récupération de produits de fission de valeur à partir de déchets de papier de soie a été étudiée dans des liquides ioniques à température ambiante ..