功能化氧化型离子液体的性能研究及应用

论文摘要

功能化离子液体是指在组成离子液体的阳离子或阴离子中含有特定的官能团,具有特殊理化性质的一类离子液体。随着离子液体理论及应用技术研究的不断深入。对新型的、具有特殊功能的离子液体的需求越来越强烈。在离子液体中嫁接各种官能团,实现离子液体的功能化以满足特定的需求,是当今离子液体研究方向的前沿。对扩展离子液体在实际应用中的范围,推进工业化进程有着极为重要的意义。本文为适应这一需求,制备三个系列12种未见文献报道的新型功能化氧化型离子液体,研究了它们的性质,探讨了其应用途径,同时还详细地研究了两类7种已知的功能化离子液体中的氧化反应。主要包括以下内容：1、设计合成了四种新型烷基咪唑过二硫酸盐离子液体：1-甲基-3-正丁基咪唑过二硫酸盐、1-甲基-3-正己基咪唑过二硫酸盐、1-甲基-3-正辛基咪唑过二硫酸盐、1-甲基-3-正癸基咪唑过二硫酸盐。运用FT-IR、1H NMR和元素分析对其组成和结构进行了确认,并研究了它们的熔点、密度、电导率、粘度、电化学稳定窗口、热稳定性和溶解性等性质。结果显示,这四种功能化离子液体的密度比水大,熔点较低（最高48℃）,热分解温度在95℃左右,电导率变化范围为0.9x10-4 S/cm至2.8×10-4 S/cm（40℃）,粘度变化范围为700-1450mPa·s（25℃）,稳定电化学窗口均在1.2 V左右,在极性溶剂中溶解性良好。同时,利用这类功能化离子液体作为溶剂、反应试剂氧化某些有机物取得了良好的效果,转化率和产率较高,展示出这类功能化氧化型离子液体在氧化反应中的广阔的应用前景。2、设计合成了以高碘酸根为阴离子,烷基咪唑和烷基吡啶为阳离子的四种新型功能化氧化型离子液体：1-甲基-3-正辛基咪唑高碘酸盐、1-正己基吡啶高碘酸盐、1-正辛基吡啶高碘酸盐、1-正癸基吡啶高碘酸盐。运用FT-IR、1H NMR、元素分析、XRD确定了它们的组成、结构、并研究了它们的熔点、密度、电导率、粘度、电化学稳定窗口、热稳定性和溶解性等性质,结果显示,这四种离子液体具有较低的熔点（最高70℃）,同时具有较差的热稳定性（热分解温度170℃）,在有机溶剂中具有良好的溶解性。同时将这类离子液体应用到醇类的氧化反应中,反应产率和选择性均较高,且不需要使用溶剂和催化剂,符合现代绿色化学的原则,表现出这类功能化氧化型离子液体在绿色化学中的潜在功能和广阔的应用前景。3、利用卤素单质与卤离子离子液体制备了功能化三卤离子液体,并完成了以下研究工作：（1）将含[Cl-Br2]离子的离子液体溶液运应用于芳香化合物的亲核取代反应,高选择性地制备了亲核取代产物,讨论了离子液体种类、不同的芳香化合物、溴单质量及反应时间等因素对反应产物选择性的影响,并初步探究了反应机理。（2）将含[Cl3]-离子的离子液体体系用于某些有机氯代反应,如：酮的α-H氯代反应,烯烃加成反应及芳香化合物的氯代反应。反应过程简单易操作,污染少,产率高,并且反应后离子液体可重复利用。（3）依据含氯离子、溴离子的离子液体与碘单质所形成的[Cl-I2]-,[Br-I2]离子液体溶液在紫外光区有强烈特征吸收的特征,利用紫外分光光度法测定离子液体中卤离子的含量,该方法具有高精确性和灵敏性,简便实用,对疏水性和亲水性离子液体均能准确测定。4、制备了三种硝酸根功能化离子液体,并用于催化分子氧氧化苯甲醇类的反应中,其中质子离子液体硝酸吡啶盐为溶剂和催化剂,催化分子氧氧化苯甲醇,可实现清洁、高效氧化苯甲醇制备苯甲醛的目的,并且系统研究了离子液体的种类及质量、反应的温度等影响因素对产物产率的影响,并在此基础上优化反应条件。在优化的实验条件下苯甲醛的收率可达到95%,反应催化体系简单廉价,不使用其它有机溶剂,质子离子液体催化剂能简单的通过固液分离从反应体系中分离出来,为重复使用催化体系提供了可能和便利,符合绿色化学的原则。5、以1-甲基-3-正辛基咪唑鎓离子为阳离子,分别以重铬酸根、钼酸根、钨酸根、锑酸根离子作阴离子,合成了四种新型功能化离子液体：1-甲基-3-正辛基咪唑重铬酸盐、1-甲基-3-正辛基咪唑钼酸盐、1-甲基-3-正辛基咪唑钨酸盐、1-甲基-3-正辛基咪唑锑酸盐。运用FT-IR、1H NMR、UV-vis和元素分析确认其组成和结构,并研究了它们的熔点、密度、电导率、粘度、电化学稳定窗口、热稳定性和溶解性等性质。同时,利用这些离子液体在反应过程中“模板-溶剂-反应物功能”制备了金属氧化物纳米材料,并用XRD、TEM对材料进行了初步表征,结果显示所合成的金属纳米氧化物粒径较小,形貌多样。表现出这类离子液体在材料制备中潜在的功能和广阔的应用前景。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1-1 功能化离子液体的定义
• 1-2 离子液体功能化的种类
• 1-2-1 阳离子的功能化
• 1-2-2 阴离子的功能化
• 1-2-3 双功能化离子液体
• 1-3 功能化离子液体的特性
• 1-3-1 功能化离子液体的酸性
• 1-3-2 功能化离子液体的碱性
• 1-3-4 功能化离子液体的手性
• 1-3-5 功能化离子液体的配位性质
• 1-3-6 功能化离子液体的氧化还原性
• 1-3-7 功能化离子液体的生物降解性
• 1-3-8 功能化离子液体的荧光和显色性质
• 1-3-9 溶剂与模板的双重功能
• 1-5 本论文的设想和研究内容
• 参考文献（164）
• 第二章 过二硫酸根功能化离子液体的制备、表征及应用
• 2-1 前言
• 2-2 实验部分
• 2-2-1 试剂与仪器
• 2-2-2 过二硫酸盐功能化离子液体的合成
• 2-2-3 过二硫酸盐离子液体的表征
• 2-2-4 在过二硫酸盐离子液体中氧化反应试验操作
• 2-3 结果与讨论
• 2-3-1 过二硫酸盐离子液体的性质研究
• 2-3-2 氧化型离子液体中的氧化反应
• 2-4 小结
• 参考文献（42）
• 第三章 高碘酸根功能化离子液体的制备、表征及应用
• 3-1 前言
• 3-2 实验部分
• 3-2-1 试剂与仪器
• 3-2-2 高碘酸盐功能化离子液体的合成
• 3-2-3 高碘酸盐离子液体的表征
• 3-2-4 高碘酸盐离子液体中的氧化反应
• 3-3 结果与讨论
• 3-3-1 高碘酸盐功能化离子液体的性质
• 3-3-2 离子液体中氧化苯甲醇的反应
• 3-4 小结
• 参考文献（34）
• 第四章 三卤功能化离子液体中的氧化反应
• 4-1 前言
• 4-2 试剂与仪器
• 2-Cl-]^-离子液体体系中的亲核取代反应'>4-3 芳香化合物在含[Br₂-Cl-]^-离子液体体系中的亲核取代反应
• 4-3-1 实验操作部分
• 4-3-2 结果与讨论
• 2-Cl]^-离子液体体系中有机物的氯化反应'>4-4 在含[Cl₂-Cl]^-离子液体体系中有机物的氯化反应
• 4-4-1 实验操作部分
• 4-4-2 结果与讨论
• 4-5 离子液体中卤离子定量分析
• 4-5-1 实验操作部分
• 4-5-2 结果与讨论
• 4-6 小结
• 参考文献（49）
• 第五章 硝酸根功能化离子液体在醇类氧化中的应用
• 5-1 前言
• 5-2 实验部分
• 5-2-1 试剂与仪器
• 5-2-2 硝酸离子液体的制备
• 5-2-3 醇类的催化氧化反应
• 5-3 结果与讨论
• 5-3-1 催化体系的描述
• 5-3-2 影响氧化苯甲醇的各因素研究
• 5-4 小结
• 参考文献（19）
• 第六章 重铬酸盐、钼酸盐、钨酸盐、锑酸盐功能化离子液体的制备、性能研究及运用
• 6-1 前言
• 6-2 实验部分
• 6-2-1 试剂与仪器
• 6-2-2 重铬酸盐离子液体的合成
• 6-2-3 钼酸盐、钨酸盐、锑酸盐功能化离子液体的合成
• 6-2-4 功能化离子液体的表征
• 6-2-5 离子液体中制备金属纳米氧化物
• 6-3 结果与讨论
• 6-3-1 功能化离子液体的表征
• 6-3-2 制备无机氧化物纳米粒子
• 6-4 小结
• 参考文献（28）
• 第七章 结论
• 博士研究生阶段的科研成果
• 致谢