Iontové kapaliny

Úvod

V tomto článku upozorňujeme na některé aplikace iontových kapalin. Představujeme více než 50 přírůstků do našeho portfolia více než 130 iontových kapalin, od dobře známých imidazolových a pyridiniových derivátů až po amoniové, pyrrolidiniové, fosfoniové a sulfoniové deriváty. 

Iontové kapaliny jsou třídou čistě iontových materiálů podobných solím, které jsou kapalné při neobvykle nízkých teplotách. Definice iontových kapalin používá jako referenční bod bod varu vody: "Iontové kapaliny jsou iontové sloučeniny, které jsou kapalné při teplotě nižší než 100 °C." Častěji, mají iontové kapaliny teplotu tání nižší než pokojová teplota; některé z nich mají dokonce teplotu tání nižší než 0 °C. Tyto nové materiály jsou kapalné v širokém rozsahu teplot (300-400 °C) od teploty tání až po teplotu rozkladu iontové kapaliny. Iontové kapaliny jsou obecně považovány za bezpečnější alternativu tradičních organických rozpouštědel díky nízkému tlaku par, který vede ke snížení rizika inhalační expozice a znečištění ovzduší, nehořlavosti, která snižuje riziko nebezpečí požáru ve srovnání s těkavými organickými rozpouštědly, a biologické rozložitelnosti.

Pokud porovnáme typické iontové kapaliny, např, 1-ethyl-3-methylimidazolium ethylsulfát (m.p. <-20 °C), s typickou anorganickou solí, např. kuchyňskou solí (NaCl, m.p. 801 °C), je zřejmé, proč existuje rozdíl. Iontová kapalina má výrazně nižší symetrii! Navíc je náboj kationtu i náboj aniontu rezonancí rozložen na větší objem molekuly. V důsledku toho bude tuhnutí iontové kapaliny probíhat při nižších teplotách. V některých případech, zejména pokud se jedná o dlouhé alifatické postranní řetězce, se místo teploty tání pozoruje skelný přechod.

Silná iontová (Coulombova) interakce uvnitř těchto látek vede k zanedbatelnému tlaku par (pokud nedojde k rozkladu), nehořlavé látce a k vysoké tepelné, mechanické i elektrochemické stabilitě produktu. Kromě této velmi zajímavé kombinace vlastností nabízejí i další příznivé vlastnosti: například velmi atraktivní rozpouštěcí vlastnosti a nemísitelnost s vodou nebo organickými rozpouštědly, které vedou k bifázickým systémům.

Výběr kationtu má silný vliv na vlastnosti iontové kapaliny a často určí její stabilitu. Chemické vlastnosti a funkčnost iontové kapaliny jsou obecně řízeny volbou aniontu. Kombinace široké škály kationtů a aniontů vede k teoreticky možnému počtu 1018 iontových kapalin. Reálný počet však bude mnohonásobně nižší. V současné době je v literatuře popsáno přibližně 1000 iontových kapalin a přibližně 300 je jich komerčně dostupných. Typické struktury kombinují organické kationty s anorganickými nebo organickými anionty:

Rostoucí zájem akademické sféry a průmyslu o technologii iontových kapalin je reprezentován každoročním nárůstem počtu publikací (zdroj Sci-Finder™): od méně než 100 v roce 1990 až po více než 1 500 prací publikovaných v loňském roce.

Použití a aplikace

Důvodem nárůstu počtu publikací mohou být jedinečné vlastnosti těchto nových materiálů. Možné kombinace organických kationtů a aniontů v konečném důsledku staví chemiky do pozice, kdy mohou navrhovat a dolaďovat fyzikální a chemické vlastnosti zaváděním nebo kombinováním strukturních motivů, a tím umožňují vytvářet materiály a řešení na míru. Následující tabulka shrnuje důležité vlastnosti iontových kapalin a jejich potenciální a současné aplikace:¹

Odpovídající aplikace iontových kapalin lze rozdělit na jejich použití jako procesních chemikálií a výkonných chemikálií. V roce 1948 tato třída elektricky vodivých materiálů (1-butylpyridiniumchlorid/AlCl₃) poprvé upoutala pozornost pro své použití jako elektrolytů pro elektrodesikaci hliníku.² Tato oblast je stále předmětem současného výzkumného úsilí. Dalšími důležitými aplikacemi v této souvislosti je jejich použití jako elektrolytů pro baterie a palivové články.

Významný průlom nastal s příchodem méně korozivních, na vzduchu stabilních materiálů v roce 1992. Wilkes a Zaworotko představili 1-ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborát a zaměřili se na aplikace v rozpouštědlech.³ Ačkoli 1-butyl-3-methylimidazolium hexafluorofosfát a -tetrafluoroborát stále dominují současné literatuře, existují lepší volby s ohledem na výkon a manipulaci. Bylo prokázáno, že ve vodném prostředí dojde k rozkladu hexafluorfosforečnanového aniontu a tetrafluoroboritanového aniontu za vzniku HF, škodlivé a agresivní kyseliny.

Byly navrženy další zajímavé aplikace, odvozené od jedinečné kombinace fyzikálních vlastností. Například použití iontových kapalin jako tepelných kapalin kombinuje jejich tepelnou kapacitu s tepelnou stabilitou a zanedbatelným tlakem par. Lze zcela reálně očekávat, že potenciální uživatelé navrhnou mnoho dalších aplikací a některé z nich budou v budoucnu realizovány. Aby potenciální uživatelé mohli iontové kapaliny využívat, bude nutné poskytnout technologickou podporu a zpřístupnit řadu iontových kapalin k testování. Tato podpora zahrnuje také vypracování toxikologických údajů a oznámení požadovaných vládou, jakož i zavedení koncepce recyklace iontové kapaliny.

Odkazy

1. Wang H, Lu Q, Ye C, Liu W, Cui Z. 2004. Friction and wear behaviors of ionic liquid of alkylimidazolium hexafluorophosphates as lubricants for steel/steel contact. Wear. 256(1-2):44-48. https://doi.org/10.1016/s0043-1648(03)00255-2

2. Artificial Muscles: Potential application, personal note.

3. Armstrong DW, Zhang L, He L, Gross ML. 2001. Ionic Liquids as Matrixes for Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization Mass Spectrometry. Anal. Chem.. 73(15):3679-3686. https://doi.org/10.1021/ac010259f

4. Andre M, Loidl J, Laus G, Schottenberger H, Bentivoglio G, Wurst K, Ongania K. 2005. Ionic Liquids as Advantageous Solvents for Headspace Gas Chromatography of Compounds with Low Vapor Pressure. Anal. Chem.. 77(2):702-705. https://doi.org/10.1021/ac048737k

5. Protein-Crystallization: Ionic Liquids Technologies, Patent pending.

6. Moriguchi T, Yanagi T, Kunimori M, Wada T, Sekine M. 2000. Synthesis and Properties of Aminoacylamido-AMP:  Chemical Optimization for the Construction of anN-Acyl Phosphoramidate Linkage. J. Org. Chem.. 65(24):8229-8238. https://doi.org/10.1021/jo0008338

7. Hayakawa Y, Kawai R, Hirata A, Sugimoto J, Kataoka M, Sakakura A, Hirose M, Noyori R. 2001. Acid/Azole Complexes as Highly Effective Promoters in the Synthesis of DNA and RNA Oligomers via the Phosphoramidite Method. J. Am. Chem. Soc.. 123(34):8165-8176. https://doi.org/10.1021/ja010078v

8. Eckstein M, Villela Filho M, Liese A, Kragl U. 2004. Use of an ionic liquid in a two-phase system to improve an alcohol dehydrogenase catalysed reductionElectronic supplementary information (ESI) available: experimental section. See http://www.rsc.org/suppdata/cc/b4/b401065e/. Chem. Commun..(9):1084. https://doi.org/10.1039/b401065e

9. Liu Y, Wang M, Li J, Li Z, He P, Liu H, Li J. Highly active horseradish peroxidase immobilized in 1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate room-temperature ionic liquid based sol?gel host materials. Chem. Commun..(13):1778-1780. https://doi.org/10.1039/b417680d

10. Wasserscheid P, Welton T. 2003. Ionic Liquids in Synthesis. Weinheim: Wiley-VCH.

11. Bösmann A, Datsevich L, Jess A, Lauter A, Schmitz C, Wasserscheid P. 2001. Chem. Commun..(23):2494-2495. https://doi.org/10.1039/b108411a

12. Nakashima K, Kubota F, Maruyama T, Goto M. 2003. Chem. Mater.. 15.1825–1829.

13. Zhou Y, Antonietti M. 2004. A Series of Highly Ordered, Super-Microporous, Lamellar Silicas Prepared by Nanocasting with Ionic Liquids. Chem. Mater.. 16(3):544-550. https://doi.org/10.1021/cm034442w

14. Holbrey JD, Seddon KR. 1999. The phase behaviour of 1-alkyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborates; ionic liquids and ionic liquid crystals. J. Chem. Soc., Dalton Trans..(13):2133-2140. https://doi.org/10.1039/a902818h

15. Haristoy D, Tsiourvas D. 2003. Novel Ionic Liquid-Crystalline Compounds Bearing Oxadiazole and Pyridinium Moieties as Prospective Materials for Optoelectronic Applications. Chem. Mater.. 15(10):2079-2083. https://doi.org/10.1021/cm021365g

16. Wu B, Reddy RG, Rogers RD. 2001. Proceedings of Solar Forum 2001.. Solar Energy: The Power to Choose; Washington DC ASME.

17. Ionic Liquids Technologies GmbH & Co. KG. [Internet]. Available from: https://iolitec.de/en

18. Yanes EG, Gratz SR, Baldwin MJ, Robison SE, Stalcup AM. 2001. Capillary Electrophoretic Application of 1-Alkyl-3-methylimidazolium-Based Ionic Liquids. Anal. Chem.. 73(16):3838-3844. https://doi.org/10.1021/ac010263r

19. Ionic Liquids Technologies GmbH & Co. KG. [Internet]. Available from: https://iolitec.de/en

20. Zell CA, Freyland W. 2003. In Situ STM and STS Study of Co and Co?Al Alloy Electrodeposition from an Ionic Liquid. Langmuir. 19(18):7445-7450. https://doi.org/10.1021/la030031i

21. Scheeren CW, Machado G, Dupont J, Fichtner PFP, Texeira SR. 2003. Nanoscale Pt(0) Particles Prepared in Imidazolium Room Temperature Ionic Liquids:  Synthesis from an Organometallic Precursor, Characterization, and Catalytic Properties in Hydrogenation Reactions. Inorg. Chem.. 42(15):4738-4742. https://doi.org/10.1021/ic034453r

22. He L, Zhang W, Zhao L, Liu X, Jiang S. 2003. Effect of 1-alkyl-3-methylimidazolium-based ionic liquids as the eluent on the separation of ephedrines by liquid chromatography. Journal of Chromatography A. 1007(1-2):39-45. https://doi.org/10.1016/s0021-9673(03)00987-7

23. SCOVAZZO P, KIEFT J, FINAN D, KOVAL C, DUBOIS D, NOBLE R. 2004. Gas separations using non-hexafluorophosphate [PF6]? anion supported ionic liquid membranes. Journal of Membrane Science. 238(1-2):57-63. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2004.02.033

24. Jork C, Seiler M, Beste Y, Arlt W. 2004. Influence of Ionic Liquids on the Phase Behavior of Aqueous Azeotropic Systems. J. Chem. Eng. Data. 49(4):852-857. https://doi.org/10.1021/je034183r

25. Uerdingen M. 2004. Entschwefelung von Dieselkraftstoff. Chemie in unserer Zeit. 38(3):212-213. https://doi.org/10.1002/ciuz.200490048

26. 2002. Branco, L. C.; Crespo, J. G.; Afonso, C. A. M. Angew. Chem.. 1042895–2897.

27. Fortunato R, Afonso CA, Reis M, Crespo JG. 2004. Supported liquid membranes using ionic liquids: study of stability and transport mechanisms. Journal of Membrane Science. 242(1-2):197-209. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2003.07.028

28. Hurley FH. 1944. Electrodeposition of aluminum. [dissertation]. US patent-US2446331A.

29. Wier JTP, Hurley FH. 1944. Electrodeposition of aluminum. [dissertation]. US patent-US2446349A.

30. Wier JTP. 1944. Electrodeposition of aluminum. [dissertation]. US patent-US2446350A.

31. Wilkes JS, Zaworotko MJ. 1992. Air and water stable 1-ethyl-3-methylimidazolium based ionic liquids. J. Chem. Soc., Chem. Commun..(13):965. https://doi.org/10.1039/c39920000965