Применение ионных жидкостей в химической промышленности Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

Д. Г. Логинов, В. В. Никешин

ПРИМЕНЕНИЕ ИОННЫХ ЖИДКОСТЕЙ В ХИМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Ключевые слова: ионные жидкости, растворитель, катализатор.

Рассмотрены виды ионных жидкостей, основные свойства, способы получения и основные области применения в химических технологиях.

Key words: ionic liquid solvent, catalyst.

The types of ionic liquids, the main properties, methods of preparation and the main applications in chemical technologies.

Несмотря на существование широкого набора известных катализаторов, химическая технология и органический синтез постоянно нуждаются в новых, более эффективных и экологически приемлемых катализаторах,

реакционных средах и растворителях. При

разработке и усовершенствовании промышленных процессов основного и тонкого органического синтеза, так же как и в нефтехимии, необходимы новые подходы к решению существующих экономических и экологических проблем, связанных с большими энергетическими затратами и загрязнением окружающей среды. Современный

подход к решению проблемы замены летучих органических соединений, используемых в качестве растворителей в органическом синтезе, включает применение ионных жидкостей. Использование ионных жидкостей в качестве новых реакционных сред может решить проблему эмиссии

растворителей и повторного использования дорогостоящих катализаторов.

Термин «ионные жидкости» означает

вещества, которые являются жидкостями при температуре ниже 100°С и состоят из органических катионов, например, 1,3-диалкилимидазолия, Ы-

алкилпиридиния, тетралкиламмония,

тетраалкилфосфония, триалкилсульфония и разнообразных анионов: 01", [ВР4]", [РР6]", [$ЬР6]", СFзSОз", [(СFзSО2)2N]", РОБОз", RSОз", АгёОз", СР3СО2", СНзСО2", ЫОз", [А12С17]".

Природа аниона оказывает большое влияние на свойства ионных жидкостей -температуру плавления, термическую и электрохимическую стабильность и вязкость. Полярность, а также гидрофильность или гидрофобность ионных жидкостей можно оптимизировать путем соответствующего выбора пары катион/анион, и каждый новый анион и катион дает дополнительные возможности для варьирования свойств ионных жидкостей.

Повышенное внимание к ионным жидкостям обусловлено наличием у них следующих специфических свойств:

1. Широкий интервал жидкого состояния (> з00 °С) и низкие температуры плавления (Тпл < 100 °С).

2. Высокая удельная электропроводность.

3. Хорошая растворяющая способность по

отношению к разнообразным неорганическим, металлоорганическим и органическим

соединениям и полимерам [1] природного и синтетического происхождения.

4. Каталитическая активность, обуславливающая повышение селективности [2] органических реакций и выхода целевого продукта.

5. Нелетучесть, возможность многократного использования.

6. Негорючесть, невзрывоопасность, нетоксичность и обусловленное этим отсутствие вредного воздействия на окружающую среду.

7. Безграничные возможности в направленном синтезе ионных жидкостей с заданными свойствами.

Качества 3 и 4 делают ионные растворители особенно привлекательными в синтезе полимеров.

Ионные жидкости являются уникальными объектами для химических исследований, использования их в катализе, органическом синтезе [1] и других областях, включая биохимические процессы. Количество ионных жидкостей, описанных в литературе в настоящее время очень велико (около 300). Потенциально количество ионных жидкостей практически безгранично и лимитируется лишь доступностью подходящих органических молекул (катионные частицы) и неорганических, органических и

металлокомплексных анионов. По различным оценкам количество возможных комбинаций катионов и анионов в таких ионных жидкостях может достигать 1018. На рисунке 1 представлены некоторые наиболее изученные ионные жидкости, описанные в литературе.

Методы приготовления достаточно просты и могут быть легко масштабированы. Наиболее употребительны три основных метода синтеза:

- реакция обмена между солью серебра, содержащей

необходимый анион В", и галогенопроизводным с необходимым катионом А+: Ад+В" + А+На1" ^

А+В" + АдНа1

- реакция кватернизации N

алкилгалогенпроизводного с галогенидами металла: =Ы+ - А1кНа1" + МНа1п ^ Ы+ - А1кМНа1"п+1

- реакции ионного обмена на ионообменных смолах или глинах.

Рис. 1 - Ионные жидкости

^ = Н, алкил, арил, гетарил, аллил и др., в том числе функциональные группы, х = 1-4, m=2, 3. Х- = ^4]', ^6]', ^6]', [N0^', ^Г, [SО4]2■, [АlkSОз]■, [СЮ4]-, [СFзSОз]-, [СНзСОО]-, [СиС12]-, [С^СЦ-, [СизС14]-, [А1С14]-, [А1БГ4]-, [АИ4]-, [АГС^]-, [А12С17]-, [А1зС1ю]-, (СFзS02)2N-, [Б^]-, [N(СN)2]-, [Ме(С0)п]- и др.)

Другим практически важным направлением синтеза ионных жидкостей является их приготовление непосредственно в реакторе. В этом случае соответствующий М-алкил галогенид и галогенид металла смешиваются в реакторе, и ионная жидкость образуется непосредственно перед запуском химического процесса или каталитической реакции. Наиболее часто ионные жидкости готовят на основе смеси хлорида алюминия с органическими хлоридами. При смешении двух твердых веществ, происходит экзотермическая

реакция, и образуются эвтектические смеси с температурами плавления вплоть до -90 °С. Это, как правило, прозрачная бесцветная или желтокоричневая жидкость (цвет обусловлен наличием примесей и локальными перегревами реакционной массы в процессе приготовления ионной жидкости).

Ионные жидкости, благодаря многообразию и особенностям своих свойств, оказались весьма привлекательными для катализа и органического синтеза. Что касается «экологичности» ионных жидкостей, многое должно быть и будет переоценено в последующих исследованиях, хотя, в целом, уже то, что они рециклизуемы, негорючи и имеют низкое давление насыщенных паров, делает их полноправными участниками «зеленой» химии, даже без учета тех выигрышей в производительности и селективности, примеры которых были даны в обзоре. Очевидно, из-за их высокой стоимости ионные жидкости вряд ли найдут широкое применение в многотоннажных процессах, если только не будут найдены дополнительные преимущества

гетерогенизированных систем. В то же время, малотоннажная химия, в первую очередь металлокомплексный катализ, может оказаться благодатной областью их использования, также как и электрохимия в целом и электрокатализ в частности.

Литература

1. А.Ф. Ягфарова, А.Р. Габдрахманова, Л.Р. Минибаева, И.Н. Мусин, Вестник Казан. технол. ун-та, 15, 13, 192-196(2012)

2. А.Р. Габдрахманова, А.Ф. Ягфарова, Л.Р. Минибаева,

А.В. Клинов, Вестник Казан. технол. ун-та, 15, 13, 6366 (2012).

© Д. Г. Логинов - магистр каф. процессов и аппаратов химической технологии КНИТУ, [email protected];

В. В. Никешин - канд. техн. наук, вед. програм. каф. процессов и аппаратов химической технологии КНИТУ, [email protected].