水对咪唑及吡啶类离子液体结构与性质的影响

作     者：崔海瑞 

作者单位：昆明理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：田国才

授予年度：2014年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：离子液体 水 分子动力学模拟 结构与性质 

摘      要：离子液体作为一种绿色溶剂,因具有较低的熔点、较小的挥发性、较宽的液态范围、良好的导电导热性、较强的溶解能力及能够循环使用等优点,而成为了国内外研究热点之一。然而,研究发现离子液体的应用中一个非常重要的问题是离子液体大规模合成及提纯。水是离子液体中常见的杂质之一,水的存在会极大地影响离子液体的微观结构和物化性质,同时会影响发生在离子液体内反应的速率和选择性。因此,深入研究水对离子液体结构与性质的影响具有重要意义。 采用分子动力学方法研究了不同摩尔分数的水对1-乙基-3-甲基咪唑三氟甲基磺酸盐离子液体([Emim]CF3SO3)结构与性质的影响。结果发现,体系各组分之间的径向分布函数均随水摩尔分数的增加有规律的变化,分析空间分布函数得到了体系各组分之间的三维空间分布情况。随水摩尔分数增加,阴阳离子之间的相互作用被削弱,而水与阴离子、阳离子及水分子间的相互作用逐渐增强,致使阳离子周围阴离子配位数减少,阴离子、阳离子及水分子分别与周围水分子配位数增多,导致阴阳离子自扩散系数增加,粘度降低,电导率增加。 在不同温度下,考查了水对[Emim]CF3SO3结构与性质的影响。结果显示,随温度的升高,水在阳离子周围和水在阴离子周围的分布区域减少,说明了水与阳离子和水与阴离子间的相互作用均减弱,体系内粒子热运动加快,导致水及阴、阳离子的自扩散系数增大,粘度降低,电导率升高。 研究了水对烷基咪唑四氟硼酸盐([Cnmim]BF4)和乙基咪唑盐([Emim]X)离子液体结构与性质的影响。结果表明：[Cnmim]BF4中随咪唑阳离子烷基侧链的增长,阳离子与水之间的相互作用较弱且强弱顺序为：[Emim]+[Bmim]+[C6mim]+[C8mim]+,而阴阳离子之间的氢键相互作用逐渐增强,致使水和阴、阳离子的自扩散系数逐渐减小,粘度增加,电导率降低;[Emim]X中随阴离子体积的增大,水与阴离子相互作用逐渐减弱,即水与阴离子的相互作用大小顺序为：BF4-CF3SO3-三氟甲基黄酰亚胺阴离子(NTf2-),阴离子的空间位阻增大,表现为阴、阳离子自扩散系数逐渐减小,粘度增加,电导率降低。 应用分子动力学方法模拟了不同摩尔分数的水对1-丁基吡啶四氟硼酸盐离子液体([Bpy]BF4)结构与性质的影响。结果表明,随水摩尔分数的增加,阴阳离子之间的径向分布函数第一峰峰值降低且出峰位置右移,说明了水的加入削弱了阴阳离子之间的相互作用;而径向分布函数和配位数的分析表明,水与阴离子和水与阳离子之间的相互作用均逐渐增强,从而导致了阴阳离子的自扩散系数增大,粘度降低,电导率升高。 在不同温度下,研究了水对[Bpy]BF4结构与性质的影响。结果发现：随温度的升高,阳离子与水和阴离子与水之间的相互作用减弱,体系粒子热运动加快,表现为水及阴、阳离子的自扩散系数增大,粘度降低,电导率升高。 水对1-丁基吡啶盐离子液体([Bpy]X)结构与性质的影响的分子动力学研究表明：随阴离子体积的增大,水与阴离子的相互作用强弱顺序为:BF4-CF3SO3-NTf2-,阴离子活动性降低,导致阴、阳离子的自扩散系数减小,粘度升高,电导率降低。