Ciecze jonowe specyficzne dla zadania

Roland St. Kalb¹, Michael J. Kotschan¹

Proionic Production of Ionic Substances GmbH, Leoben, Austria

Czytaj więcej o

• Wprowadzenie
• Tiosalicylan trioktylo-metyloamoniowy (TOMATS): A Novel, High Performance, Ionic Liquid for the Extraction of Heavy Metals from Aqueous Solutions
  • Zastosowanie TOMATS
  • Charakterystyka TOMATS
  • Charakterystyka TOMATS
  Charakterystyka TOMATS
• .Inne ciecze jonowe specyficzne dla zadania
• Powiązane produkty

Wprowadzenie

Specyficzne dla zadania ciecze jonowe (TSIL) do selektywnej ekstrakcji metali ciężkich z układów wodnych zostały po raz pierwszy opublikowane przez Robin D. Rogers et al. w 2001 roku.¹ Sfunkcjonalizowane kationy imidazoliowe z pochodnymi tioeterowymi, mocznikowymi lub tiomocznikowymi łańcuchami bocznymi działają jako ugrupowania wiążące metal, podczas gdy PF₆^- aniony zapewniają pożądaną niemieszalność z wodą (Rysunek 1). Współczynniki dystrybucji Nernsta dla Cd²⁺ i Hg²⁺ wynoszą ≤380.

Rysunek 1. Ciecz jonowa pochodna od tiomocznika

Te ciecze jonowe były pierwszymi, które zawierały specyficzne funkcje umożliwiające dobrze zdefiniowane właściwości chemiczne i dlatego bez wątpienia można je nazwać "projektantami rozpuszczalników".

Te pionierskie ciecze jonowe mają jednak pewne poważne wady: anion heksafluorofosforanowy jest znany jako dość niestabilny w stosunku do hydrolizy i wytwarza toksyczny i żrący HF lub fluorki. Toksyczność kationu imidazoliowego jest trudna do oszacowania; kosztowne badania toksykologiczne są ryzykowne. Utylizacja tych związków fluorowych jest kosztowna i problematyczna. Synteza na większą skalę jest skomplikowana; materiały wyjściowe są drogie.

Tiosalicylan trioktylo-metyloamoniowy (TOMATS): Nowa, wysokowydajna ciecz jonowa do ekstrakcji metali ciężkich z roztworów wodnych

Aby przezwyciężyć wyżej wymienione wady - zwłaszcza w kontekście możliwego zastosowania przemysłowego na większą skalę - oraz w celu zwiększenia wydajności, proionowa firma Production of Ionic Substances GmbH opracowała w swoich laboratoriach nową ciecz jonową: Tiosalicylan trioktylo-metyloamoniowy ("TOMATS", nr produktu 08354, Rysunek 2).

Rysunek 2. TOMATS

TOMATS nie zawiera fluoru i jest całkowicie odporny na hydrolizę. Dlatego nie uwalnia HF ani fluorków, nie jest żrący i jest znacznie łatwiejszy do usunięcia. Toksyczność kationu jest znana z powszechnie stosowanych związków, takich jak chlorek trioktyloamoniowy (katalizator przeniesienia fazowego). Toksyczność anionu jest znana z kwasu tiosalicylowego i jego soli; są one drażniące. Współczynniki dystrybucji metali ciężkich zazwyczaj wykazują wartości w zakresie od 1500 do ponad 5000, co można wytłumaczyć chelatującym działaniem orto-pozycjonowanej grupy karboksylanowej, oprócz znanego tworzenia tiolanów metali. Synteza TOMATS jest prosta i może być przeprowadzona na skalę przemysłową.

Zastosowanie TOMATS

Rysunek 3< przedstawia ekstrakcję miedzi z zabarwionej na niebiesko wodnej fazy Cu²⁺-tetraminy (lewa probówka). Po dodaniu cieczy jonowej TOMATS i przed wytrząsaniem widoczne są ładne strefy dyfuzji (środkowa probówka), pokazujące wolny od miedzi, bezbarwny obszar i ciemny górny obszar zawierający miedź. Po wstrząśnięciu i odczekaniu na rozdzielenie faz, cała miedź jest ekstrahowana do górnej fazy, tworząc organiczny, ciemny związek miedzi (prawa probówka).

Rysunek 3. Wydobywanie miedzi

Oddzielanie faz może czasami trwać przez długi czas ze względu na względnie wysoką lepkość TOMATS wynoszącą 1500 mPa.s w temperaturze 20 °C. Wadę tę można przezwyciężyć, dodając pewien procent niemieszającego się z wodą rozpuszczalnika organicznego, takiego jak octan etylu lub dichlorometan (zmniejszając lepkość do 100 mPa.s) lub przez ogrzewanie.

Oddzielanie faz można zoptymalizować za pomocą wirówki i dodając trochę siarczanu sodu do fazy wodnej przed wytrząsaniem. Jeśli faza wodna nadal wygląda na mętną, można ją przefiltrować przez zwykły filtr membranowy (rozmiar porów μM).

Charakterystyka TOMATS

Wygląd: oliwkowozielona, lepka ciecz 
Rozpuszczalność: 

• Rozpuszczalny w alkoholach, octanie etylu, THF, acetonitrylu, acetonie, dichlorometanie, DMSO&
• nierozpuszczalny w wodzie, heksanie 

Współczynniki dystrybucji Nernsta: 1 Cd²⁺ >1,500; Cu²⁺ >3,000; Pb²⁺./sup>, Hg²⁺ >5,000 
Współczynnik załamania światła: n_D²⁰ = 1.5185 
Ługowanie do fazy wodnej: <0,5% 
Gęstość, lepkość:

	TOMATS 100%	TOMATS 95% (5% octan etylu)
T [°C]	d [g/cm3]	n [mPa.s]	d [g/cm3]	n [mPa.s]
20	0.9556	1.5	0.9534	509
40	0.9445	352	0.9424	158
60	0.9325	119	0.93	63
80	0.9213	50	0.9185	30

Inne ciecze jonowe specyficzne dla zadań

Ostatnio, zwitterionowe ciecze jonowe funkcjonalizowane kwasem sulfonowym zostały wykorzystane jako alternatywa dla konwencjonalnych kwasów w reakcjach katalizowanych kwasem.² Kilka specyficznych dla tego zastosowania cieczy jonowych jest obecnie dostępnych na rynku.

Referencje

1. Visser AE, Swatloski RP, Reichert WM, Davis Jr. JH, Rogers RD, Mayton R, Sheff S, Wierzbicki A. 2001. Task-specific ionic liquids for the extraction of metal ions from aqueous solutions. Chem. Commun..(1):135-136. https://doi.org/10.1039/b008041l

2. Cole AC, Jensen JL, Ntai I, Tran KLT, Weaver KJ, Forbes DC, Davis JH. 2002. Novel Brønsted Acidic Ionic Liquids and Their Use as Dual Solvent?Catalysts. J. Am. Chem. Soc.. 124(21):5962-5963. https://doi.org/10.1021/ja026290w

3. Gu Y, Shi F, Deng Y. 2003. SO3H-functionalized ionic liquid as efficient, green and reusable acidic catalyst system for oligomerization of olefins. Catalysis Communications. 4(11):597-601. https://doi.org/10.1016/j.catcom.2003.09.004