Thiết kế phân tử, hành vi hóa lý và các ứng dụng mới nổi của chất lỏng ion dựa trên Imidazole bị loại bỏ

Chất lỏng ion imidazole bị thay thế (IL) đại diện cho một loại muối hữu cơ có cấu trúc có thể điều chỉnh được, vẫn ở dạng lỏng ở hoặc gần nhiệt độ phòng, được phân biệt bằng sự hiện diện của hai nhóm thế trên vòng imidazolium. Các hợp chất này cung cấp một nền tảng mở rộng để điều chỉnh các tương tác ion, tính chất hóa lý và động lực hòa tan cho các ứng dụng mục tiêu trong xúc tác, điện hóa, tổng hợp vật liệu và hóa học xanh. Bài viết này đi sâu vào các chiến lược tổng hợp, mối tương quan về tính chất cấu trúc và triển khai chức năng của IL imidazole bị loại bỏ, nhấn mạnh vai trò của chúng trong các công nghệ hóa học thế hệ tiếp theo.

1. Đặc điểm cấu trúc và con đường tổng hợp

Sự thay thế trên vòng imidazole thường liên quan đến các nhóm thế alkyl, aryl, ether hoặc dị vòng ở vị trí C2, C4 và C5, dẫn đến các hiệu ứng điện tử và không gian đa dạng. Thông thường nhất, vị trí N1 và N3 được chức năng hóa bằng chuỗi alkyl hoặc dị alkyl, trong khi vị trí C2 hoặc được proton hóa hoặc được thay thế bằng các nhóm cho/rút electron để thay đổi hành vi liên kết hydro.

Quá trình tổng hợp thường tiến hành thông qua:

• N-alkyl hóa imidazole với haloalkan để tạo ra muối imidazolium 1,3 bị thay thế

• Hậu chức năng hóa các chiến lược, chẳng hạn như bậc bốn, thay thế nucleophilic hoặc kim loại hóa ở vị trí C2

• Quá trình trao đổi anion sử dụng phản ứng trao đổi chất hoặc axit-bazơ để tạo ra các anion không phối hợp hoặc có chức năng cụ thể (ví dụ: [PF₆]⁻, [BF₄]⁻, [NTf₂]⁻ hoặc các loại halometallate)

Những sửa đổi này ảnh hưởng nghiêm trọng đến các thông số chính như độ ổn định nhiệt, tính kỵ nước, độ nhớt, độ dẫn ion và hành vi phối hợp.

2. Điều chế tính chất lý hóa

Các đặc tính hóa lý của IL imidazole bị loại rất nhạy cảm với cả thành phần cation và anion. Thông qua thiết kế hợp lý, các thuộc tính sau có thể được điều chỉnh tinh vi:

• Độ nhớt và tính lưu động : Sự thay thế alkyl chuỗi ngắn thường làm giảm độ nhớt và tăng cường vận chuyển khối lượng, trong khi chuỗi dài hoặc phân nhánh làm tăng trật tự cấu trúc và độ phức tạp lưu biến.

• Độ ổn định nhiệt và điện hóa : Các nhóm thế thơm và cồng kềnh có thể cải thiện nhiệt độ phân hủy và mở rộng cửa sổ điện hóa, rất quan trọng đối với chất điện phân pin và môi trường siêu tụ điện.

• Cân bằng tính kỵ nước/kỵ nước : Bản chất của anion và sự hiện diện của các nhóm phân cực quyết định độ hòa tan trong nước và khả năng trộn lẫn với dung môi hữu cơ, ảnh hưởng đến việc lựa chọn dung môi trong quá trình xúc tác hoặc chiết.

• Độ dẫn ion : Được tăng cường bằng cách giảm sự ghép cặp ion và tăng khả năng định vị điện tích, thường thông qua việc sử dụng các anion định vị hoặc cồng kềnh kết hợp với các cation ít phối trí hơn.

Các kỹ thuật thí nghiệm như NMR, FTIR, TGA, DSC và quang phổ điện môi được sử dụng thường xuyên để phân tích các đặc điểm này và liên hệ chúng với cấu trúc phân tử.

3. Hành vi hòa tan và liên kết hydro

Khả năng độc đáo của IL dựa trên imidazolium trong việc hình thành mạng lưới liên kết hydro rộng khắp, đặc biệt là khi hydro C2 được giữ lại, củng cố khả năng hòa tan đặc biệt của chúng. Sự thay thế ở vị trí này làm thay đổi cường độ của nhà tài trợ liên kết hydro, do đó điều chỉnh sự tương tác với các chất hòa tan, thuốc thử và trung tâm xúc tác.

Các nghiên cứu tính toán và quang phổ hồng ngoại cho thấy IL có chức năng C2 thể hiện tính phân cực giảm và khả năng phá vỡ tương tác chất tan-dung môi giảm, khiến chúng phù hợp cho các nhiệm vụ hòa tan chọn lọc hoặc ổn định các chất trung gian không bền trong tổng hợp hữu cơ.

4. Ứng dụng trên các lĩnh vực khoa học

Tính linh hoạt của IL imidazole bị loại được chứng minh bằng vai trò mở rộng của chúng trong cả nghiên cứu cơ bản và ứng dụng:

Một. Phương tiện xúc tác và phản ứng
Các IL này đóng vai trò là môi trường ổn định nhiệt, không bay hơi để xúc tác kim loại chuyển tiếp, xúc tác axit Brønsted/Lewis và xúc tác sinh học. IL imidazolium được biến đổi điện tử có thể ổn định các chất trung gian phản ứng hoặc đóng vai trò là chất đồng xúc tác, đặc biệt trong các phản ứng liên kết carbon-carbon, cộng vòng hoặc các quá trình oxy hóa.

b. Thiết bị điện hóa
Với độ dẫn ion cao và độ ổn định nhiệt, IL imidazolium được thay thế rất lý tưởng cho các ứng dụng điện hóa bao gồm:

• Chất điện phân pin lithium-ion và natri-ion

• Phương tiện siêu tụ điện có cửa sổ điện hóa rộng

• Bể mạ điện cho kim loại như Al, Zn hoặc đất hiếm

c. Khoa học tách và khai thác
IL được chế tạo riêng với các đặc tính phân cực và ái lực cụ thể có thể được sử dụng trong chiết xuất chất lỏng-lỏng, hấp thụ khí (ví dụ: thu giữ CO₂) và tách các phân tử sinh học, kim loại hiếm hoặc hỗn hợp azeotropic.

d. Hóa học vật liệu và công nghệ nano
IL hoạt động như tác nhân tạo khuôn, dung môi hoặc chất biến tính bề mặt trong quá trình tổng hợp vật liệu có cấu trúc nano, bao gồm khung hữu cơ kim loại (MOF), cacbon xốp và vật liệu nano oxit. Môi trường phân cực và không biến động của chúng hỗ trợ kiểm soát chính xác động lực tạo mầm và tăng trưởng.

5. Cân nhắc về môi trường và độc tính

Mặc dù danh tiếng hóa học xanh là chất thay thế không bay hơi cho dung môi hữu cơ, hồ sơ môi trường của IL imidazole cần được đánh giá cẩn thận. Các biến thể bị loại bỏ, đặc biệt là những biến thể có chuỗi alkyl dài hoặc anion halogen hóa, có thể biểu hiện tính bền vững, khả năng tích lũy sinh học hoặc độc tính đối với môi trường thủy sinh.

Những phát triển gần đây tập trung vào:

• Thiết kế IL có khả năng phân hủy sinh học sử dụng các nhóm thế có nguồn gốc từ este, amit hoặc đường

• Hệ thống phân cực có thể chuyển đổi để tạo điều kiện phục hồi và tái sử dụng

• Giảm độc tính thông qua tối ưu hóa anion và các chất thay thế không halogen hóa như alkyl sunfat hoặc anion gốc axit amin

6. Định hướng tương lai và những thách thức nghiên cứu

Việc nâng cao tiện ích của chất lỏng ion imidazole bị loại bỏ có một số thách thức chính:

• Mô hình dự đoán mối quan hệ cấu trúc-tài sản , sử dụng máy học và tính toán hóa học lượng tử

• Tích hợp vào các vật liệu chức năng chẳng hạn như vật liệu tổng hợp polymer-IL, ionogel hoặc màng chất lỏng được hỗ trợ

• Tổng hợp có thể mở rộng và hiệu quả về mặt chi phí , đặc biệt là cho các ứng dụng cấp công nghiệp

• Phân tích vòng đời và tuân thủ quy định đảm bảo thực hiện bền vững

Chất lỏng ion dựa trên imidazole bị loại bỏ đại diện cho một loại hợp chất giàu mô-đun và chức năng có khả năng kết nối nhiều ngành khoa học. Bằng cách tận dụng kỹ thuật phân tử chính xác, các nhà nghiên cứu có thể mở ra nhiều hành vi vật lý và hóa học phù hợp với nhu cầu mới nổi về hóa học xanh, lưu trữ năng lượng và sản xuất tiên tiến. Những nỗ lực liên tục trong thiết kế hợp lý, đánh giá môi trường và nghiên cứu dựa trên ứng dụng sẽ là điều cần thiết để nhận ra tiềm năng đầy đủ của chúng trong các công nghệ hóa học bền vững.