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离子液体指室温或近室温(-30~50℃)呈液态的完全由离子构成的物质,又称为室温熔融盐,在电化学、有机合成、催化和气体吸收等方面都有很好的应用前景。通过对离子液体功能化设计,可以使其具有各种特殊用途,如用于吸收CO2、SO2的取代咪唑、取代吡啶、季铵类等功能化离子液体等。其中N-烷基咪唑类离子液体由于具有高的热稳定性和化学稳定性获得了广泛的关注和重视。本论文从N-甲基咪唑出发,首先合成了含有氨基的功能化离子液体,并利用第一原理密度泛函理论(DFT)计算方法探讨了该类离子液体的合成机理;进一步计算研究了氨基功能化离子液体吸收CO2及胍盐离子液体吸收SO2的吸附机理。论文的主要工作和结论如下:
1.以盐酸盐离子液体1-(1-氯化胺基乙基)-3甲基咪唑盐酸盐([ClHN-H2e-mim]Cl)为中间体合成了一种用于CO2吸收的功能离子液体1-(1-胺乙基)-3甲基咪唑四氟硼酸盐([NH2e-mim]BF4),对其结构用1HNMR、IR进行了表征。并对生产的工艺流程进行了优化。[ClHNH2e-mim]Cl的最佳合成条件为:等摩尔的N-甲基咪唑和氯乙胺盐酸盐,以乙腈作溶剂,在80℃下搅拌回流24h;离子交换的最佳条件为:等摩尔的[ClHNH2e-mim]Cl和KBF4,以乙腈,水(V:V=1:1)作为溶剂,30℃温度下搅拌反应24h。
2.采用DFT计算研究了N-甲基咪唑与溴乙胺氢溴酸盐反应生成氨基咪唑离子液体的反应机理。结果表明,在一定温度下,溴乙胺氢溴酸盐先转化为-能量较高的中间体,再与亲核试剂发生SN2亲核取代反应;不同N-位取代基对亲核取代反应的速率有明显影响,-CH3速率常数较-H大3.8倍,这两者又比-CF3大103个量级。因此,N(Ⅱ)位取代基给电子能力越强,该SN2反应的速率常数越大。
3.采用DFT计算研究了咪唑离子液体对CO2的吸附行为。对常规阴、阳离子吸附CO2的行为结果与文献报道吻合,主要是物理吸附;对氨基功能咪唑离子液体吸附CO2反应机理的计算模拟结果表明,氨基功能咪唑离子液体吸附CO2的作用机理与文献报道一致,与CO2作用位是-NH2,氨基功能离子液体对CO2的吸附存在物理吸附和化学吸附。
4.采用DFT计算研究了胍盐离子液体TMGL对SO2作用的吸附机理,结果表明,SO2与TMGL主要通过物理吸附相互作用,其中阴离子LAC起主导作用,LAC的O原子是吸附SO2的主要活性位,在SO2-LAC体系中发现有较强的S…O键,这种吸附介于物理吸附与化学吸附之间,阳离子TMG与SO2形成N-H…O氢键。通过在N(Ⅱ,Ⅲ)位引入不同的取代基,计算其对吸附SO2行为的影响,结果表明,Ⅱ,Ⅲ位N原子取代基的电负性改变对胍盐离子液体吸附SO2的影响不大。