若干离子液体离子对结构及其与溶剂相互作用的理论研究

论文摘要

离子液体作为一种新型材料,是当今化学发展最活跃的领域之一。它们具有独特的物理化学性能,在有机合成、萃取、分离和电化学等方面发挥着巨大作用,为化学、生命科学和材料科学等领域的发展提供了广阔的前景。对离子液体实验和理论的研究,不仅能丰富化学学科的内容,还能造福人类,因此具有重要的理论与实际意义。开展离子液体的理论研究,从分子水平上认识离子液体及其溶液的结构,有助于理解其物理化学性质,而且为离子液体的设计提供了一定的理论依据。本论文运用量子化学方法研究了离子液体及其有机溶剂的混合溶液两种体系,从微观角度重点阐明该体系内部结构的本质,旨在获得对离子液体及溶液物理化学性质全面而深入的认识,从而为其开发和利用提供一定的理论指导。本工作对离子液体及其溶液内部粒子间的氢键作用进行了系统的研究。主要研究内容及结论归纳如下:1.概括离子液体的实验和理论研究现状,国内外对其研究主要侧重于实验方面的工作,对于离子液体的合成及应用已有大量的文献报道。新的离子液体不断被开发利用,正处于蓬勃发展的黄金时期。2.应用密度泛函理论的B3LYP方法,研究吡啶、N-烷基吡啶阳离子及其与若干阴离子（F-,Cl-,Br-,NO3-,BF4-）形成离子对的稳定构型。计算结果表明:N-烷基吡啶阳离子的吡啶环与中性吡啶分子类似,具有芳香性,烷基对吡啶环结构影响不大;离子对中阴离子易出现在吡啶环上方以及C（5）-H或C（2）-H和N-甲基附近;阴、阳离子之间通常存在多重氢键,并且均有部分电荷转移;离子对的相互作用能随着N-烷基的增长而减小。3.在B3LYP/6-31++G（d,p）理论水平上研究得到若干咪唑类离子液体的阳离子、阴离子以及离子对[emim]Cl分别与甲醇分子形成复合物的几何构型;甲醇羟基氧原子与阳离子的氢原子以及羟基氢原子与阴离子之间分别形成氢键,随着阳离子N-烷基侧链的增长,甲醇与阳离子之间的相互作用能逐渐减弱;随醇烷基侧链的增长,甲醇与阴离子形成的氢键逐渐增强;通过对复合物相互作用能的比较,发现咪唑环上氢原子的酸性比N-烷基侧链的强,而且C（2）-H的酸性最强;甲醇和离子对[emim]Cl可以形成多种复合物,它与阴离子之间的相互作用比与阳离子的强,而且甲醇可以同时与阴、阳离子形成较强的氢键,在离子液体中起桥梁的作用;由于甲醇的介入,使离子对中阴、阳离子之间的相互作用减弱,电荷分布发生改变,而且频率分析发现有红移或蓝移现象出现,从而为其物理化学性质的解释和推测提供了一定的理论依据。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 前言
• 1.1 绿色化学
• 1.2 离子液体
• 1.2.1 离子液体的发展
• 1.2.2 离子液体的组成
• 1.2.3 离子液体的合成
• 1.2.4 离子液体的物理化学性质
• 1.2.5 离子液体的应用
• 1.2.6 离子液体的研究现状及发展前景
• 1.3 本课题的研究目的和内容
• 1.3.1 研究目的
• 1.3.2 研究内容
• 1.3.2 论文的创新点
• 参考文献
• 第二章 量子化学理论基础
• 2.1 量子化学
• 2.2 密度泛函理论（Density Functional Theory,DFT）
• 2.3 B3LYP理论
• 2.4 基函数的选择
• 2.5 振动频率的计算
• 2.5.1 振动频率的计算
• 2.5.2 零点振动能
• 2.6 内禀反应坐标理论
• 2.7 自然键轨道理论分析
• 2.7.1 自然集居数分析
• 2.7.2 自然杂化轨道理论分析
• 2.7.3 电子供体和受体间键相互作用模型
• 参考文献
• 第三章 N-烷基吡啶类离子液体中若干阳离子和离子对结构的理论研究
• 3.1 前言
• 3.2 研究内容和计算方法
• 3.3 结果和讨论
• 3.3.1 吡啶和N-烷基吡啶阳离子的结构
• 3.3.2 阴离子的结构
• 3.3.3 离子对的结构
• 3.3.3.1[mpi]X的离子对结构
• 3.3.3.2 离子对[mpi]R的结构
• 3.4 本章结论
• 参考文献
• 第四章 咪唑类离子液体中阴、阳离子与甲醇相互作用的理论研究
• 4.1 前言
• 4.2 计算方法
• 4.3 结果和讨论
• 4.3.1 醇分子与1-乙基-3-甲基咪唑阳离子的相互作用
• 4.3.1.1 几何构型的分析
• 4.3.1.2.电荷分析
• 4.3.1.3.红外振动分析
• 4.3.2 醇分子与阴离子的相互作用
• 4.3.3 甲醇与离子对的相互作用
• 4.3.3.1 离子对中阴、阳离子的相互作用
• 4.3.3.2 甲醇与离子对之间的相互作用
• 4.4.本章结论
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表