Ионные жидкости - удивительные вещества, способные растворять практически любые соединения. Они не летучи, не горючи и экологически безопасны. Могут ли эти "зеленые" растворители стать основой химической промышленности будущего? Давайте разберемся!
История открытия ионных жидкостей
Впервые ионные жидкости были получены в 1914 году русским ученым П. Вальденом. Это был нитрат этиламмония с температурой плавления 12°С. В 1888 году сообщалось о синтезе нитрата этаноламмония, плавящегося при 52-55°С. Однако термин "ионная жидкость" появился гораздо позже - в начале 1980-х годов.
С 1940 по 1980 год было получено большое число разнообразных ионных жидкостей. Сейчас в литературе описано уже более 500 таких соединений. Интерес исследователей вызван в первую очередь экологической безопасностью ионных жидкостей. Их называют "зелеными" реагентами, которые помогут решить проблему загрязнения окружающей среды.
Уникальные свойства ионных жидкостей
Ионные жидкости обладают уникальным комплексом полезных свойств:
- Нелетучесть
- Негорючесть
- Термическая и химическая стабильность
- Широкий интервал жидкого состояния
- Способность растворять многие вещества
- Возможность многократного использования
- Высокая ионная проводимость
Благодаря этим свойствам ионные жидкости активно изучаются как перспективные растворители для органического синтеза, электролиты для химических источников тока, теплоносители и многое другое.
Ионные жидкости представляют собой огромный класс веществ, имеющих в своем составе определенные ионы. Эти соединения впервые были получены в 1914 г. Первая ионная жидкость имела температуру плавления 12 °С и получена была русским ученым П. Вальденом.
Применение ионных жидкостей
Наибольший интерес вызывает использование ионных жидкостей в органическом синтезе. Установлено, что они могут выступать в роли растворителей и катализаторов для получения различных органических соединений. Некоторые примеры:
- Синтез 3-пиррол-3'-илоксоиндолов из халконов
- Одностадийный синтез пирано[4,3-6]пиранов
- Реакции присоединения СН-кислот к акролеину
- Скелетная изомеризация димеров циклогептатриена
- Синтез производных тиазоло[2,3-b]-хиназолина
Показано, что ионные жидкости позволяют сократить продолжительность реакций, повысить выход целевых продуктов, упростить выделение и очистку. Кроме того, они могут многократно регенерироваться и использоваться повторно.
Также ведутся работы по применению ионных жидкостей в электрохимии, для экстракции металлов, в качестве теплоносителей и смазочных материалов.
Методы регенерации ионных жидкостей
Отработанные ионные жидкости можно регенерировать и использовать повторно. Это повышает экономическую эффективность технологических процессов с их применением. Наиболее распространенные методы регенерации:
- Фильтрование
- Отгонка растворенных примесей
- Экстракция
- Ионообменная хроматография
Показана возможность многократного использования ионной жидкости [bmim][PF6] в реакциях присоединения СН-кислот к акролеину. Регенерированную ионную жидкость использовали в нескольких реакционных циклах без снижения выхода целевых продуктов.
Перспективы применения ионных жидкостей
Учитывая уникальные свойства ионных жидкостей, перспективным представляется их использование в следующих областях:
- Растворители для органического синтеза и катализаторы реакций. Ионные жидкости позволяют упростить выделение и очистку целевых продуктов.
- Электролиты для литий-ионных аккумуляторов и суперконденсаторов. Высокая электропроводность и термостабильность ионных жидкостей делает их перспективной альтернативой традиционным органическим электролитам.
- Теплоносители и рабочие тела для термодинамических циклов. Нелетучесть и широкий интервал жидкого состояния позволяют использовать ионные жидкости в качестве безопасных и эффективных теплоносителей.
- Смазочные материалы, в том числе для экстремальных условий. Стабильность ионных жидкостей при высоких температурах открывает возможность их использования в узлах трения различных механизмов и агрегатов.
- Жидкие мембраны для разделения газов и очистки сточных вод. Высокая селективность ионных жидкостей в сочетании с их нетоксичностью перспективна для мембранных технологий очистки газов и жидкостей.
Ионные жидкости в России
В России ионные жидкости также привлекают пристальное внимание исследователей. Разрабатываются отечественные технологии получения и применения этих перспективных соединений.
Так в Институте элементоорганических соединений РАН синтезирован ряд новых ионных жидкостей на основе имидазолия и аммония. Показана возможность их многократной регенерации и повторного использования в органических реакциях.
В МГУ имени М.В. Ломоносова изучаются физико-химические свойства ионных жидкостей, проводится скрининг каталитической активности в различных синтетических превращениях.
Разработки в области ионных жидкостей ведутся также в Санкт-Петербургском государственном университете, Национальном исследовательском Томском политехническом университете и других научных центрах.
Экологические аспекты применения ионных жидкостей
Несмотря на то, что ионные жидкости считаются "зелеными" реагентами, экологические последствия их широкого применения до конца не изучены. Существуют определенные риски:
- Токсичность для водных организмов отдельных типов ионных жидкостей
- Накопление в окружающей среде вследствие низкой биоразлагаемости
- Образование стойких загрязняющих веществ при химическом или термическом разложении
Для безопасного внедрения технологий на основе ионных жидкостей необходим тщательный анализ их жизненного цикла, разработка методов утилизации и регенерации отработанных жидкостей.
