دو گروه عمده از مایعات یونی شامل ترکیباتی مـی شوند کـه به ترتیب از مولکول های آلی ایمـیدازولیم (کاتیون ترکیب Imidazole با فرمول C3H4N2) و پیریدینیوم (کاتیون ترکیب پیریدین با فرمول C5H5N) بـه عنوان کاتیون ساخته شده اند. شرکت نوین ساختار ایده ال پرتو ساختارهای هر دو گروه درون شکل 1 نشان داده شده است. شرکت نوین ساختار ایده ال پرتو کاتیون ها و آنیون های متنوعی به منظور تهیـه مایعات یونی بـه کار مـی روند کـه با استفاده از تنوع گسترده مـی توان مایعات یونی با کاربری های اختصاصی و یـا خواص فیزیکی-شیمـیایی تقویت شده ساخت (Tuning of Physicochemical Properties). آنیون های متداول شامل BF4-، شرکت نوین ساختار ایده ال پرتو BF6-، Br-، Cl- و ... هستند.
شکل 1- مایعات یونی با کاتیون ایمـیدازول و پیریدین [1]
1-2 مزایـای و ویژگی های مایعات یونی
مـهمترین مزیت های مایعات یونی شامل موارد زیر است:
1-این ترکیبات فشار بخار قابل ملاحظه ای ندارند. درون نتیجه بر خلاف حلال های آلی معمول موادی غیر فرار هستند و مشکلی به منظور محیط زیست ایجاد نمـی کنند.
2- تعداد مایعات یونی کـه امروزه مـی توان ساخت مشتمل بر 106 عدد هست (تنوع بسیـار بالا و خصوصیـات متفاوت). درون حالی کـه تعداد کل حلال های مولکولی از 600 عدد تجاوز نمـی کند.
3-مایعات یونی بسیـار بیش از ترکیبات آلی رسانا بوده (کاربردهای الکترونیکی و الکتروشیمـیایی) و آنزیم های مختلف درون آنـها بـه راحتی محلول هستند (کاربردهای بیوتکنولوژی).
4-این مواد قادر بـه تشکیل یک سیستم دوفازی مناسب به منظور جداسازی (Separation Techniques) هستند. درون واکنش های دوفازی بعد از اتمام واکنش با دوفاز شدن شدن مخلوط واکنش، فاز آلی و فازآبی حاوی مایع یونی (که معمولا درون نقش کاتالیست یـا بستر کاتالیست عمل مـی کند) از هم جدا شده و عمل جداسازی با سهولت و با بازده بالا انجام مـی شود.
5- بـه راحتی تشکیل پلیمر و ژل مـی دهند و انواع مختلفی واکنش آلی و معدنی درون آنـها انجام پذیر است.
6- اگر از مایع یونی بـه عنوان کاتالیست استفاده شود، امکان استفاده مجدد و جداسازی کاتالیست از محصولات ساده است.
7- مایعات یونی قادر هستند ترکیبات مختلف اعم از نمک ها، چربی ها، پروتئین ها، آمـینواسیدها، قندها و پلی ساکاریدها را درون خود حل کنند. همچنین مولکول های آلی مانند نفت خام، جوهرها، پلاستیک ها و حتی DNA بـه راحتی درون مایعات یونی مختلف محلول هستند.
8- مـی توان با تغییر کاتیون یـا آنیون، مایع یونی ساخت کـه خواص فیزیکی تشدید شده مثل حلالیت، ویسکوزیته و ...نسبت بـه مایعات یونی متداول داشته باشد.
9-با انتخاب کاتیون یـا آنیون خاص مـی توان کاربری مایعات یونی تهیـه شده به منظور کاتالیز یک واکنش یـا استخراج گونـه های فلزی را اختصاصی (Specific) کرد. اینگونـه ترکیبات را مایعات یونی با کاربری خاص مـی‌گویند.
ازجمله مزیت های مایعات یونی نسبت بـه حلال های معمول مثل حلال های کلردار (Chlorinated Solvent) و آروماتیک را مـی توان بـه موارد زیر اشاره کرد:
1- مایعات یونی قادر بـه حل گستره وسیعی از ترکیبات آلی، معدنی و فلز-آلی (Organometallic) هستند.
2- بـه شدت قطبی هستند.
3- فشار بخار ناچیز دارند و غیر فرار هستند.
4- درون مقابل حرارت که تا دمای 300 درجه سانتی گراد عموما پایدار و مقاوم هستند.
5- درون گستره وسیعی از دما یعنی که تا 200 درجه سانتی گراد بـه صورت مایع روان هستند.
6- هدایت الکتریکی این ترکیبات بسیـار بالا است.
7- این ترکیبات با بسیـاری از حلال های معمول آلی غیر قابل امتزاج هستند.
1-3-1- خواص مایعات یونی با کاربری حلال
وجود حلال های فرار و سمـی درون صنایع شیمـیایی کـه در مقیـاس وسیع استفاده مـی شود، بزرگترین مشکل زیست محیطی صنایع مزبور است. تلاش به منظور یـافتن جایگزین مناسب به منظور حلال های فرار صورت گرفته است. مواد زیر جدیدا به منظور این منظور مناسب تشخیص داده شده اند. درون عین حال هرکدام از موارد زیر مزایـا، محدودیت و مشکلات خاص خود را دارند.
الف) دی اکسید کربن فوق بحرانی (Supercritical CO2)
ب) حلال فلوئوره (Fluorinated Solvents )
ج) مایعات یونی (Ionic Liquids)
در مورد اول، گاز CO2 را درون دما و فشار فوق بحرانی قرار مـی دهند بـه نحوی کـه این گاز بـه صورت مایع درون مـی آید و اکنون دارای تواما خواص گاز و مایع (هر دو) است. دمای بحرانی به منظور گاز دی اکسید کربن 31 درجه سانتی گراد و فشار فوق بحرانی آن 74 بار است. دی اکسید کربن فوق بحرانی یک حلال سبز هست ولی دو مشکل عمده دارد. به منظور استفاده از این حلال نیـاز بـه تجهیزات لازم به منظور برای اعمال فشار فوق بحرانی است. همچنین دامنـه حلالیت درون این حلال بسیـار محدود است. حلال فلوئوره دسته دیگری از حلال جایگزین هستند کـه مشکلات این حلال ها گران قیمت بودن آنـها مـی باشد و در اثر حرارت مواد سمـی متصاعد مـی کنند.
مایعات یونی دسته ترکیباتی هستند کـه امروزه بـه عنوان بهترین جایگزین به منظور حلال های فرار معرفی مـی شوند. مایعات یونی علاوه بر سبز بودن قادرند کـه گستره وسیعی از ترکیبات آلی، معدنی، ترکیبات فلزی-آلی، مولکول های حیـاتی و یون های فلزی را درون خود حل کنند. بدلیل ساختار یونی، این ترکیبات شدیدا قطبی (Polar) بوده و از این رو با بسیـاری از حلال های آلی غیرقابل امتزاج هستند (حلال های آلی معمولا غیرقطبی بوده یـا قطبیت پایینی دارند و معمولا با فاز آبی مخلوط نمـی شوند). با افزایش طول زنجیره آلکیلی متصل بـه کاتیون مـی توان مایعات یونی غیر قابل امتزاجی با آب ساخت و این مایعات یونی درون نقش فاز آلی کاربرد دارند.
1-3-2- خلوص مایعات یونی
ویژگی های فیزیکی و شیمـیایی مایعات یونی مـی تواند با حضور ناخالصی ها تغییر پیدا کند. بنابراین خالص سازی مایعات یونی ضروری است. مـهمترین آلاینده های مایعات یونی آنیون هالیدها یـا بنیـان های آلی و آب هستند کـه معمولا از مواد واکنش نداده (پیش ماده های سنتز مایع یونی کـه تا آخر تغییر نیـافته باقی مانده اند) بـه وجود مـی آیند. مایعات یونی تمایل زیـادی بـه جذب رطوبت دارند بـه طوری مایعات یونی آب گریز هم جاذب الرطوبه هستند. بـه طور کلی مایعات یونی با حرارت تحت خلاء خشک مـی شوند ولی خروج کامل آب ( بـه دلیل ایجاد پیوند محکم هیدروژنی) مشکل است. حضور آب باعث کاهش درون چگالی و ویسکوزیته شده و خواص شیمـیایی را تعدیل مـی کند.
1-4- نسل هایی مختلف از مایعات یونی
1-4-1- نسل اول
مایعات یونی، ترکیباتی هستند کـه کاربرد وسیعی بـه عنوان حلال دارند. این ترکیبات خواص فیزیکی منحصربه فردی دارند کـه با تغییر کاتیون یـا آنیون آنـها مـی توان این خواص را تقویت کرد. درون شکل 2 این مایعات یونی، با عنوان نسل یکم معرفی شده اند.
1-4-2- نسل دوم
با رشد روز افزون این ترکیبات دسته ای از مایعات یونی طراحی شدندکه بـه عنوان مایعات یونی با کاربری خاص شیمـیایی شناخته مـی شوند. این ترکیبات دارای یک یـا چند گروه عاملی خاص بر روی کاتیون هستند کـه امکان برهم کنش و ایفای نقش شیمـیایی خاص را دارند . بـه عنوان مثال بـه عنوان روان ساز و لیگاندها ی کمپلساز استفاده مـی شوند. این ترکیبات علاوه بر خواص فیزیکی ذکر شده کارآیی شیمـیایی نیز دارند کـه با عنوان نسل دوم مایعات یونی شناخته مـی شوند.
1-4-3- نسل سوم
بعضی ترکیبات فعال دارویی، ساختاری مثل ساختار ما یعات یونی کلاسیک دارند و از لحاظ بیولوژیکی فعال بوده و سمـیت آنـها مورد بررسی قرار گرفته است. با استفاده از ا ین ترکیبات دارویی، نسل جدید مایعات یونی نسل سوم جدیدًا معرفی شده هست این ترکیبات سمـیت بسیـار کمـی دارند و خواص فیزیکی مایعات یونی را نیز دارا مـی باشند. یعنی مـی توان از ا ین دسته ما یعات یونی بـه عنوان دارو استفاده کرد.
شکل 2- سه نسل از مایعات یونی با خواص فیزیکی، شیمـیایی و بیولوژیکی [2]
امروزه مایعات یونی کاربرد بسیـار گسترده درون علوم و فنون مختلف دارد. مـهمترین کاربرد مایعات یونی ایفای نقش یک حلال سبز بـه جای حلال های فرار است. امروزه مایعات یونی کاربردهای گسترده دیگری نیز دارند کـه به اختصار بـه بعضی از آنـها اشاره مـی شود.
1-5-1- واکنش های کاتالیستی
اولین بار 20 سال پیش مایعات یونی بـه عنوان کاتالیست درون واکنش آسیلاسیون فریدیل کرافتس استفاده شد. مایعات یونی بـه عنوان یک کاتالیست دوفازی یـا بستری به منظور ثابت کاتالیست های دیگر استفاده مـی شوند. درون حضور مایعات یونی امکان استفاده مجدد از کاتالیست وجود دارد.
1-5-2- پایداری نانو کاتالیستها درون محیط مایع یونی
نانوکاتالیست های فلزی مانند طلا، پلاتین، پالادیم، رودیم و روتنیم کاربرد گسترده ای درون واکنش های آلی دارند. مشکل نانوکاتالیست این هست که درون محیط های واکنش بـه هم متصل مـی شوند و به صورت کلوخه ای درون مـی آیند و فعالیت آنـها بـه شدت کاهش مـی یـابد. به منظور جلوگیری از این مورد، انواع مایعات یونی استفاده مـی شود. بـه عنوان مثال نانوکاتالیست رودیم (Rh) درون مایعات یونی ذکر شده درون واکنش هیدروژناسیون آلکن ها و آرن ها فعالیت بیشتری از خود نشان مـی دهند.
1-5-3- حلال
همانطور کـه ذکر شد کاربری عمده مایعات یویی بـه عنوان حلال است. از مـهمترین مزایـای استفاده از مایعات یونی ازدیـاد سرعت واکنش ها و بهبود بخشیدن جهت گزینی نسبت بـه حلال های دیگر است.
1-5-4- الکتروشیمـی
بیشتر از 20 سال قبل اولین بار نمک های مذاب و مایعات یونی توسط الکتروشیمـیدانان ها به منظور استفاده درون سیستم های قدرت بـه کار شدند. برخی از مایعات یونی بهترین نمونـه به منظور دستگاه های الکتروشیمـیایی مانند ذخیره کننده های قدرت، پیل های سوختی، سلول های فوتوولتایی و آب کاری الکتریکی بودند. این بـه دلیل پایداری بسیـار بالای الکتروشیمـیایی، رسانایی بالا و محدوده عملکرد دمایی وسیع است. نیـاز بـه باتری هایی با قدرت بالا به منظور کاربردهای مختلف (پرتابل های الکترونیکی، ترموبیل های الکتریکی، گوشی تلفن همراه و ...) باعث جستجو به منظور یـافتن محلول های الکترولیتی غیر آبی بیشتر شد. رقابت به منظور بدست آوردن باتری های قابل شارژ یون لیتیم باعث شناسایی الکترولیت های با قدرت رسانایی بالا شد کـه از لحاظ الکتروشیمـیایی پایدار بوده و ظرفیت زیـادی به منظور استفاده مجدد داشتند.
مایعات یونی بـه نظر مـی رسد کـه الکترولیت های خوبی به منظور باتری های قابل شارژیون لیتیم مـی باشند. گستره وسیع پتانسیل الکتروشیمـیایی آنـها مانع احیـاء یـا اکسید شدن الکترود مـی شود. این گستره به منظور مایعات یونی بیش از 5/4 ولت و برای الکترولیت های آبی 2/1 ولت است. علاوه براین مایعات یونی پایداری حرارتی بیشتر، رسانایی بالاتر و حلالیت بیشتری نسبت بـه الکترولیت های معمول دارند. بـه عنوان مثال رسانایی آنـها درون باتری های لیتیم 5 برابر بیشتر از مخلوط و نمک های لیتیم درون حلال غیر آبی است.
1-5-5-استخراج مایع-مایع (Liquid-Liquid Extraction)
یکی از روشـهای کـه برای جداسازی استفاده مـی شود، استخراج مایع-مایع است. این روش درون صنعت کاربرد زیـادی دارد زیرا بسیـار از منظر انرژی مناسب است. درون این روش از دوفاز غیر قابل امتزاج یعنی فاز آلی و آبی استفاده مـی شود. اکثر حلال های مورد استفاده به منظور فاز آلی کلروفرم از دسته حلال های فرار مـی باشند. مایعات یونی آب گریز جایگزین مناسبی به منظور فاز آلی هستند.
مورد استفاده مایعات یونی عمدتا درون استخراج یون های فلزی ارزشمند مانند طلا، لانتانیدها و اکتنیدها یـا یون های فلزی سمـی آب آشامـیدنی مانند جیوه و کادمـیم مـی باشد. درون جدول لیستی از مایعات یونی مورد استفاده درون فرایند استخراج یون های فلزی آورده شده است.
جدول 2- مایعات یونی مختلف با کاربری حلال درون فرآیند استخراج یونـهای فلزی [3]
1-6- نتیجه گیری
مایعات یونی ترکیباتی هستند کـه در چند سال اخیر انقلابی درون مراکز تحقیقاتی و صنایع شیمـیایی بـه پا کرده اند. این ترکیبات کـه جزء مواد شیمـیایی سبز هستند بـه عنوان حلال کاتالیست نقش بسیـار مـهمـی درون کاهش استفاده از ترکیبات خطرناک، سمـی و آسیب زننده بـه محیط زیست درون صنایع دارویی دارا مـی باشند.
در این مقاله بـه مزایـا و ویژگی‌های منحصر بـه فرد مایعات یونی اشاره شده و همچنین کاربردهای این ترکیبات بـه اختصار توضیخ داده شده است. امروزه مایعات یونی کاربرد بسیـار گسترده درون علوم و فنون مختلف دارد. مـهمترین کاربرد مایعات یونی ایفای نقش یک حلال سبز بـه جای حلال های فرار است.
: شرکت نوین ساختار ایده ال پرتو
[مشاهده مقاله | مایعات یونی (Ionic Liquids): ساختار و کاربرد شرکت نوین ساختار ایده ال پرتو]
نویسنده و منبع | تاریخ انتشار: Sat, 24 Nov 2018 07:55:00 +0000