مایعات یونی :

مایعات یونی :

این ترکیبات که بطور عمده شامل یک کاتیون آلی نامتقارن حجیم و یک آنیون آلی یا معدنی هستند اگرچه ماهیت نمکی دارند ولی به علت عدم تقارن در ساختار مولکولی شان دارای نقطه ذوب پائینی هستند بطوریکه درشرایط محیطی به فرم مایع به همین دلیل این ترکیبات ، مایعات یونی در دمای اتاق  Room Temperature Ionic Liquids" " نامیده می شوند .

مقدمه :

هرروزه رد پای علم شیمی در صنعت ، پزشکی ، داروسازی ، کشاورزی ، تجارت  و..... پررنگ تر می شود .در واقع هیچ جنبه ای از زندگی بشر نیست که به نوعی با دا نش شیمی در ارتباط نباشد

متاسفانه به موازات نقش موثری که صنایع شیمیائی در زندگی روزمره انسان ها ایفا می کنند اثرات زیان آوری نیز بر روی محیط زیست یا سلامتی انسان ها باقی می گذارند .ا ز این رو حذف یا کاهش اثرات منفی ناشی از فرایند های شیمیائی وکاهش انتشار مواد خطرناک از جمله دغدغه های شیمیدانان است . به این منظور دانشمندان در تلاشند که تا حد امکان خطر ذاتی مواد را کاهش دهند و یا موادی را جایگزین کنند که نقش آلایندگی کمتری داشته و یا آنکه راحت تر باز یافت شوند هر نوع فعالیتی در این زمینه" شیمی سبز" خوانده می شود شیمی سبز عبارت است از طراحی ، توسعه و بکارگیری فرایندها و واکنش های مناسب برای کاهش یاحذف مواردی که برای انسان یا محیط  زیست خطرناک هستند .

یک دسته از مواد پرکاربرد ،حلال هائی هستند که در طی واکنش های شیمیائی بکار گرفته می شوند این حلال هاکه اغلب سمی و آتشگیرند دررده مهمترین عوامل آلاینده قرارگرفته ا ند مشکلات ناشی از جداسازی حلال ها از محصولات ،بازیافت کامل این حلالها مخاطرات زیست محیطی وهزینه های هنگفتی که صرف کنترل این حلالها می شود توجه محققان را به سمت استفاده از حلال های سبز معطوف داشته است .

مایعات یونی دسته جدیدی از ترکیبات شیمیائی هستند که با خواص وویژگی های فوق العاده خود قادر به ایجاد محیط های شیمیائی سبز به منظور اجرای فرایندهای شیمیائی و جایگزینی مناسب برای حلال ها آلی ومعدنی می باشند

دراین مقاله پس از تشریح ماهیت و ساختار مایعات یونی ، ویژگی های منحصر بفرد این ترکیبات مورد بررسی قرار گرفته و در آخر به برخی از کاربردهای آنان  اشاره شده است

مایعات یونی :

این ترکیبات که بطور عمده شامل یک کاتیون آلی نامتقارن حجیم و یک آنیون آلی یا معدنی هستند اگرچه ماهیت نمکی دارند ولی به علت عدم تقارن در ساختار مولکولی شان دارای نقطه ذوب پائینی هستند بطوریکه درشرایط محیطی به فرم مایع به همین دلیل این ترکیبات ، مایعات یونی در دمای اتاق  Room Temperature Ionic Liquids" " نامیده می شوند .

 ﻣﺎﻳﻌﺎﺕ  ﻳﻮﻧﻲ ﺑﻪ ﺻﻮﺭﺕ ﺷﺒﻜﻪ ﺳﻪ ﺑﻌﺪﻱ ﺍﺯ ﻛﺎﺗﻴﻮﻥ ﻫﺎ ﻫﺴﺘﻨﺪ ﻛﻪ ﺑﺎ ﻧﻴﺮﻭﻫﺎﻳﻲ ﻣﺜﻞ ﭘﻴﻮﻧﺪﻫﺎﻱﻫﻴﺪﺭﻭﮊﻧﻲ، ﻧﻴﺮﻭﻫﺎﻱ ﭘﺮﺍﻛﻨﺪﮔﻲ ﻭ ﺍﻟﻜﺘﺮﻭﺳﺘﺎﺗﻴﻚ ﺑﻪ ﻫﻢ ﻣﺘﺼﻞ ﻣﻲ ﺷﻮﻧﺪ. ﻣﻬﻤﺘﺮﻳﻦ ﻭﻳﮋﮔﻲ ﻛﺎﺗﻴﻮﻥﺍﻳﻦ ﺗﺮﻛﻴﺒﺎﺕ ﺗﻘﺎﺭﻥ ﻛﻢ ﻭ ﺗﻤﺮﻛﺰ ﺿﻌﻴﻒ ﺑﺎﺭﻣﺜﺒﺖ ﺍﺳﺖ ﻛﻪ ﻣﺎﻧﻊ ﺍﺯ ﺗﺸﻜﻴﻞ ﻳﻚ ﺷﺒﻜﻪ ﻛﺮﻳﺴﺘﺎﻟﻴﻦﻣﻨﻈﻢ ﻭ  ﻛﺎﻫﺶ  ﻧﻘﻄﻪ  ﺫﻭﺏ  ﻧﻤﻚ  ﺑﻪ  ﻭﺟﻮﺩ  ﺁﻣﺪﻩ  ﻣﻲ ﺷﻮﺩ.  ﺍﻳﻦ ﻣﻮﺿﻮﻉ ﺑﺎﻋﺚ ﻓﺮﺍﻫﻢ ﺷﺪﻥ ﻣﺤﻴﻂ ﻣﺎﻳﻊ ﻏﻴﺮﺁﺑﻲ ﺩﺭ ﺩﻣﺎﻫﺎﻱ ﭘﺎﻳﻴﻦ  ﻭ  ﺩﺭ  ﻧﺘﻴﺠﻪ  ﺍﻣﻜﺎﻥ  ﺍﻧﺠﺎﻡ ﻭﺍﻛﻨﺶ ﻫﺎﻱ ﻣﺘﻌﺪﺩ ﺩﺭ ﺁﻧﻬﺎ ﻣﻲ ﺷﻮﺩ

نخستین گزارش در مورد مایعات یونی در سال 1914 ارائه شد از آن زمان تاکنون هرساله ترکیبات بسیاری با این ویژگی گزارش شده اند . کاتیونهائی مانند  ایمیدازولیوم ، پیریدینیوم ، پیرولیدینیوم و فسفونیوم با  شاخه های هیدروکربنی مختلف و آنیونهایی مثل یونهای هالید ،( BF₄تترافلوئوروبرات ) ، (PF₆  هگزافلوئوروفسفات ) ، (CF₃SO₂)₂N)  بیستری فلوئورومتیل سولفونیل ایمید ) و ... درساختمان مایعات یونی بکار می روند. 

شکل زیرساختارهای شیمیایی کاتیونها و آنیونهائی را نشان می دهد که  در  ساختار مایعات  یونی  میتوانند بکار گرفته شوند

 

مزایای مایعات یونی

ترکیبهای  آلی  فرار  به  سختی  از  محصولات  واکنش مورد  نظر جدا شده و  مشکل  بازیافت می گردند از بین بردن آنها نیز مستلزم صرف هزینه های زیاد بوده  واثرات زیان آوری بر روی محیط دارد  در مقابل مایعات یونی خواص منحصر بفرد ومثبتی دارند که موجب شده محققان هرچه بیشتر به استفاده ازاین حلال ها بجای حلال های آلی  گرایش داشته باشند . از جمله این ویژگی ها میتوان به موارد زیر اشاره کرد:

1)مایعات  یونی، بدلیل داشتن   فشار  بخار  پایین وعدم فراریت نقش آلایندگی ندارند

2)مایعات یونی،  پایداری  گرمایی  زیادی دارند  ودر دماهای  بالا دچار تجزیه و تغییر ماهیت نمی شوند . این ویژگی موجب می گردد  ، جداسازی محصول  از حلال با  سهولت بیشتری صورت گرفته  قابلیت بازیافت آنها افزایش یابد   

3)از دیدگاهی دیگر، بسیاری از حلال های آلی یا معدنی ماهیت آتشگیری دارند از این رو ریسک انجام فرایندهای شیمیائی در این نوع  حلال ها، بسیار بالاست در حالیکه مایعات یونی آتشگیر نبوده ومحیطی ایمن برای انجام واکنشها فراهم می نمایند

4)مایعات یونی، قادرند محدوده وسیعی از ترکیبات آلی و معدنی را در خود حل کنند. از آنجائی که تغییر آنیون و کاتیون ها سبب ایجادتغییردر خواص فیزیکی آنها می شود دامنه کاربردی آنها بسیار وسیع است

5) یکی از جالبترین ویژگی های یون های مایع ، این است که آنها این قایلیت را دارند که برای هرنوع واکنش خاص طراحی شوند.خواصی  از  قبیل  چگالی,  نقطه  ذوب,  امتزاج پذیری با آب و سایر حلالها , گرانروی, قطبیت, خصلت اسیدوباز, قابلیت کئوردینه شدن با تغییر آنیون ها وکاتیون ها تغییر می کند بنابراین با  انتخاب مناسب جزء کاتیون و یا آنیون میتوان حلال مناسب برای واکنش مورد نظر را سنتز کرد برای مثال حلالیت یک مایع یونی در آب با تغییر گروه آلکیل روی جزء کاتیون دچار  تغییرمی شود . با افزایش طول زنجیر آلکیلی حلالیت در آب به علت افزایش آبگریزی  کاتیون  کاهش  وقابلیت انحلال ترکیبات آلی وناقطبی افزایش می یابد  . تغییر آنیون نیز بطورچشمگیری بر  خواص شیمیایی وفیزیکی این ترکیبات موثر است نمک های متشکل از کاتیون  ایمیدازولیوم با آنیونهای هالید, استات, نیترات و  تری  فلورواستات با  آب امتزاج  پذیرند ودر حالیکه نمکهای همین کاتیونها با آنیون هایی  مانند  (هگزافلوئوروفسفات )یا (بیس تری فلوئورومتیل سولفونیل )امتزاج ناپذیر و نمک های ایمیدازولیوم با  تترافلوروبورات بسته به استخلاف های روی جزء کاتیون میتوانند  امتزاج پذیر یا امتزاج ناپذیر باشند .

اندازه و شکل کاتیون درون مایعات یونی در تعیین نقطه ذوب این نمکها بسیار مهم است. مایعات  یونی حاوی  آنیون هالیدها  نقاط  ذوب  بیشتری نسبت به آنیونهای حجیم تر دارند و عموماًنقطه ذوب با افزایش طول زنجیر استخلاف زیاد میشود

از دیگرمزایای  مایعات یونی میتوان به موارد زیر اشاره کرد

·       قطبیت بالا وعدم تشکیل کمپلکس

·       مایع بون در طیف وسیعی از دما

·       دانسیته بالا

·       هدایت الکتریکی بالا

·       پایداری حرارتی

·       پنجره الکترو شیمیائی وسیع

·       قابلیت بالای سولواتاسیون

کاربرد مایعات یونی در فرایندهای شیمیائی :

تحقیقات اخیر نشان می دهد که جایگزینی یک حلال با یک مایع یونی بهبود قابل ملاحظه ای در فرایند های شیمیائی فراهم می آورد .از جمله کاربرد مایعات یونی می توان به موارد زیر اشاره کرد

·       حلال سبز در واکنش های نیازمند به محیط قطبی مانند واکنش های پلیمر شدن تراکمی ورادیکالی ، انتقال بار و.....

·       فاز ساکن در کروماتوگرافی گازی و افزودنیهای فاز متحرک وفاز ساکن در کروماتوگرافی مایع. بطور ویژه مناسب برای فرایندهای جداسازی مایع – مایع آروماتیکها وترکیبات اورگانوسولفوراز هیدروکربنها

·       کاتالیست در فرایندهای پتروشیمیائی  نظیر هیدروژناسیون اولفین ها

·       جاذب گاز های اسیدی CO₂    ، H₂S   ،   SO₂

 مرجع: http://www.chemcenter.blogfa.com/post-61.aspx