第二节　离子液体的合成

一、卤代盐离子液体

卤代盐离子液体是一类最常用的离子液体，阴离子一般为Cl-、Br-、I-。其合成方法主要是将咪唑或吡啶等杂环与卤代烷烃混合，加热回流。反应方程式如下（图1-2）：

1-丁基-3-甲基咪唑氯代盐（BmimCl）是一种典型的卤代盐离子液体，Suarez等报道了BmimCl的合成方法：将稍过量的1-氯代丁烷和1-甲基咪唑混合，80℃回流搅拌48h，得到淡黄色黏稠液体，用乙酸乙酯洗涤3次，70℃真空干燥12h即得离子液体BmimCl。该方法操作简单，产物收率可达95.3%以上，但杂质含量较高。

为得到纯度高的离子液体，可在合成前对反应原料进行适当处理，Zhao等在合成离子液体前，将原料1-甲基咪唑和氯代正丁烷蒸馏并截取沸点范围的馏分，将截取的1-甲基咪唑与稍过量的氯代正丁烷放入高压釜中，充入高纯氮气至0.15MPa左右，加热至90℃，反应18h，然后降至室温得到1-正丁基-3-甲基咪唑氯代盐离子液体（BmimCl）。朴玲钰等报道了BmimCl的合成方法：首先将氯代正丁烷经五氧化二磷干燥，以除去其中的水分，然后在氮气保护下，将氯代正丁烷与1-甲基咪唑混合，在80℃下加热回流24h。冷却静置分层后，在-30℃下冷冻12h。除去上层液体加入乙腈，在80℃下搅拌溶解并加入乙酸乙酯，然后，在-30℃冷冻12h，有白色固体析出，去除上层液体，将粗产物于80℃旋转蒸发10h，从而得到1-丁基-3-甲基咪唑氯代盐（BmimCl）。用该方法合成的离子液体，反应时间短，杂质的洗脱彻底，合成的离子液体纯度高，可以满足电化学分析，但该方法操作过程较复杂，且产率较低。

溴代盐离子液体也是一种常见卤代盐离子液体。Elaiwi等报道了一种溴代盐离子液体1-丁基-3-甲基咪唑溴化物（BmimBr）的合成方法：采用溴代正丁烷与1-甲基咪唑在Ar气保护下，90℃回流72h，加入适量的甲苯，得到1-丁基-3-甲基咪唑溴化物（BmimBr）离子液体。将其冷却，得到1-丁基-3-甲基咪唑溴化物晶体。利用乙腈—乙酸乙酯混合溶剂重结晶数次并旋转蒸发，得到纯度较高的1-丁基-3-甲基咪唑溴化物晶体。该合成方法操作简单，反应产物纯度高，但反应时间较长。刘靖平等对该种烷基咪唑离子液体的合成方法进行了改进，以乙二醛、甲醛、25%的氨水和烷基胺为原料，以甲醇作为溶剂制备咪唑卤化物，反应时间只需要4h左右。

与氯代盐、溴代盐离子液体的合成方法比较，碘代盐离子液体的反应条件温和，在室温下即可进行。段海峰等报道了一种碘代盐离子液体的合成方法，该方法采用四烷基脲与三氯氧磷反应制备的五烷基胍，与碘代甲烷反应，制备出碘代盐离子液体。该合成反应操作简单，产物的收率较高，而且五烷基胍与碘甲烷反应几乎是定量进行。

由于卤代盐离子液体合成方法简单，原料易得，反应条件温和，且一般为水溶性离子液体，在水中的溶解度很高，几乎可以与水以任何比例混溶，故得到了广泛应用。卤代盐离子液体也被用作合成其他离子液体的中间体。

二、含氟离子液体

除水溶性卤代盐离子液体外，常见的离子液体还包括四氟硼（BF4）、六氟磷（PF6）型离子液体。这种离子液体的制备主要是通过阴离子交换法，采用BF4、PF6的盐或酸与卤代盐离子液体反应，从而得到BF4、PF6型离子液体。

1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐（BmimBF4）是一种常见的离子液体，朴玲钰等报道了其详细合成方法，首先合成BmimCl离子液体，将稍过量的NaBF4与BmimCl溶解在丙酮中，室温搅拌12h。过滤除去反应生成的NaCl，旋转蒸发去除溶剂，得到淡黄色液体BmimBF4，收率为90.5%。该合成方法操作简单，而且通过旋转蒸发，制备的离子液体纯度较高。

1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐（BmimPF6）是一种疏水性离子液体，广泛地应用于萃取分离中。其合成方法是首先合成卤代离子液体，再与六氟磷酸或六氟磷酸盐反应，从而得到BmimPF6。Armstrong等将1-甲基咪唑与稍过量的氯代正丁烷混合，水浴加热到75℃，搅拌回流72h，然后用乙酸乙酯洗涤三次，在真空干燥箱中80℃干燥24h，得到1-丁基-3-甲基咪唑氯代盐（BmimCl），收率为80%。将BmimCl与一定量的水混合，并向其中滴加六氟磷酸，搅拌1h后，取出下层溶液用二次去离子水洗涤，直到洗涤水溶液的pH为6.5左右，将产物放在干燥箱中80℃干燥24h，得到1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐（BmimPF6）。

在合成六氟磷酸盐离子液体时，由于反应过程中产生大量的Cl离子，为了得到高纯度的离子液体，一般采用大量去离子水进行洗涤，而BmimPF6在水中有一定的溶解性，因此，在洗涤过程中，会有一部分BmimPF6损失。Bartsch等对洗涤步骤进行了改进，先将反应后的溶液与含有三乙基氨的水混合，分液后，将离子液体溶解到二氯甲烷中，再将二氯甲烷及离子液体中的部分水分分离出来。尽管上述操作比较麻烦，但合成的离子液体纯度明显提高。

三、功能化离子液体

功能化离子液体是指在阴、阳离子中引入一个或多个功能化的官能团，或离子液体的阴阳离子本身具有特定的结构而赋予离子液体某种特殊功能或性质。

将金属卤化物MCx和有机卤化物混合，可得到一类酸碱性可调的离子液体，当MCx的摩尔分数足够大时，离子液体可呈Lewis酸性。离子液体的酸碱性主要取决于阴离子的种类，将AlCl3、FeCl3、GaCl3等Lewis酸与有机盐（烷基铵、烷基吡啶、烷基咪唑等的卤化物）混合，可得到酸性离子液体。最具代表性的酸性离子液体是AlCl3类离子液体，氯铝酸离子液体的酸性基于Lewis酸（如AlCl3等）与有机阳离子的比例，可以在很大范围内调节，使其具有Lewis碱性、Lewis酸性甚至超强酸性。氯铝酸离子液体的酸碱性可以用平衡方程2AlCl4-→Al2Cl7-+Cl-来描述。随着AlCl3摩尔分数的增加，阴离子种类由Cl-→AlCl4-→Al2Cl7-→Al3Cl10-→Al4Cl13-转化，其Lewis酸性也由碱性→中性→酸性→强酸性等逐步增强。以1，3-二烷基咪唑氯铝酸盐为例，当AlCl3摩尔分数n＜0.5时，离子液体呈碱性，此时阴离子以Cl-和AlCl4-为主；当n=0.5时，离子液体为中性，此时阴离子只有AlCl4-；当n＞0.5时，离子液体就表现出酸性，此时阴离子为AlCl4-和Al2Cl7-等，继续增加氯化铝摩尔分数，离子液体中就会出现Al3Cl10-、Al4Cl13-，离子液体表现出超强酸性。该种离子液体可以催化由固体AlCl3催化的反应，而且由于离子液体呈液态，更有利于分离操作和循环使用。但是由于AlCl3对水很不稳定，这类离子液体存在着潜在的环境污染、回收利用等问题。

最早的Bronsted酸性离子液体是1989年Smith等在EmimCl/AlCl3体系中加入HCl气体而得到的。由于氯铝酸盐离子液体在空气中吸潮可逸出HCl气体，在酸性氯铝酸盐离子液体中溶入HCl，离子液体的酸性从弱Lewis酸转变为强Bronsted酸，体系表现出超强酸性。以B（HSO4）4-作为阴离子也可得到增强酸性的离子液体，或者将常见的Bronsted酸与中性离子液体混合，可得到一系列酸性可调节的Bronsted酸性离子液体。与传统的超强酸相比，离子液体超强酸具有较好的操作安全性，离子液体超强酸除了可以用氯化铝外，也可以采用FeCl3、CuCl、ZnCl2、SnCl2等。Suarez等报道了一种含有金属铁的离子液体BmimCl/FeCl3，其合成方法是将合成的BmimCl在高压釜中加热到95～120℃，从反应釜底部通入高纯氮气吹扫，将未反应的原料和水分带出，再将FeCl3在氮气保护下加热至400～500℃进行干燥，在氮气保护下将BmimCl和FeCl3充分混合，搅拌过夜，即得到BmimCl/FeCl3离子液体。

四、其他离子液体

Bicak等报道了一种简单的2-羟基乙基铵甲酸盐离子液体的合成方法，向2-羟基乙醇中缓慢滴加等摩尔的甲酸，冰浴冷却，搅拌24h，即可得到粘稠、透明的2-羟基乙基铵甲酸盐离子液体。

如图1-3所示，赵三虎等将等摩尔的吡啶和氯代正丁烷反应后，减压抽滤后得到白色针状晶体氯代丁基吡啶。再与等摩尔的NH4NO3固体混合，加入甲醇在室温下搅拌48h，将反应混合物过滤，滤液旋转蒸发除去甲醇，通过真空干燥进一步除去痕量甲醇，得到无色黏稠状N-丁基吡啶硝酸盐离子液体。需要注意的是，在合成氯化丁基吡啶时，整个反应体系需无氧无水，且要求避光操作。

Bonhote等报道了咪唑基离子液体的合成，如图1-4所示，以咪唑为原料首先合成1-烷基咪唑，再与卤代烷烃反应，生成二烷基咪唑基离子液体，再加入含有所需阴离子的盐，通过离子交换合成目标离子液体。当阴离子为（CF3SO2）2N-时具有疏水性，其水中饱和溶解度仅为2%，而阴离子为CF3SO3-、CF3COO-时则是完全水溶性的。

Lall等采用真空蒸发技术，以卤代离子液体为原料，合成了一种聚阳离子磷酸盐离子液体，其结构如图1-5所示。由于该离子液体的阴离子是-3价的磷酸根，因此，可与聚阳离子或多配体结合。合成的磷酸盐类离子液体有较好的水溶解性，但是，同时也可以吸收空气中的水分，因此，在保存过程中要尽量避免接触空气。

牟宗刚等报道了1-（O,O-二乙基膦酰丙基）-3-丁基咪唑六氟磷酸盐（DPP-BimPF6）离子液体的合成方法。将烷基咪唑与溴代烷烃及六氟磷酸胺等混合，得到DPPBimPF6离子液体。该离子液体具有较为优良的润滑性能，可以将其作为钢/铝摩擦副润滑剂，同传统离子液体相比，所合成的新型离子液体抗磨效果更好，这是因为新型离子液体在摩擦过程中同铝和铁发生摩擦化学作用，形成具有抗磨和承载能力的化学吸附和摩擦化学反应边界润滑膜，从而起到减摩抗磨作用。