Untitled

Ciecze jonowe

• Ciecze jonowe jako nowa klasa rozpuszczalników

  • Znaczące przemysłowe zastosowania

  • Uznawane za "zielone" rozpuszczalniki

Zasady zielonej chemii

• XII zasad:

  1. Zapobieganie powstawaniu odpadów

  2. Ekonomia atomowa

  3. Mniej niebezpieczne syntezy

  4. Bezpieczne chemikalia

  5. Bezpieczniejsze rozpuszczalniki i materiały pomocnicze

  6. Wydajność energetyczna

  7. Użycie surowców odnawialnych

  8. Redukcja pochodnych

  9. Kataliza

  10. Degradacja

  11. Analityka "w czasie rzeczywistym"

  12. Bezpieczniejsza chemia

• Ciecze jonowe w kontekście zasad 5, 6 i 9

  • Generowanie małej ilości odpadów w produkcji i użytkowaniu

  • Możliwość wielokrotnego użytku

  • Wysoka wydajność i selektywność reakcji w niskich temperaturach

  • Efektywny rozpuszczalnik dla katalizatorów

Publikacje na temat cieczy jonowych

• Historia publikacji według lat:

  • Od 1980 roku do 2010 roku wzrost ilości publikacji w bazie SciFinder

  • Ciecze jonowe definiowane jako sole z temperaturą topnienia równą lub niższą niż 100 °C (źródło: Rika Hagiwara i Yasuhiko Ito, Journal of Fluorine Chemistry, 2000)

Cechy cieczy jonowych jako "zielonych rozpuszczalników"

• Zalety cieczy jonowych:

  • Nielotne

  • Niepalne

  • Łatwy recykling

  • Łatwe wydzielanie produktów

  • Zwiększenie wydajności i selektywności w syntezie

• Wady cieczy jonowych:

  • Wysoka cena

  • Ograniczona dostępność na rynku w skali ton

  • Wymagana czystość w produkcji na dużą skalę

  • Wysoka lepkość

Budowa cieczy jonowych

• Kationy:

  • 1-alkilo-3-metylo

  • N-alkilo-pirydyniowy

  • Imidazoliowy

  • N-metylo-tetraalkilo-amoniowy

  • Tetralkilo-fosfoniowy

  • Piperydyniowy

• Aniony:

  • Nieorganiczne: Cl⁻, Br⁻, I⁻, AlCl₄⁻, BF₄⁻, PF₆⁻, SbF₆⁻

  • Organiczne: F3CO2S, SO2CF3, SO2CF3, (CF3SO2)2N⁻, CF3SO3⁻, CF3CO2⁻, CH3SO3⁻, BUDOWA CIECZY JONOWYCH

Zróżnicowanie cieczy jonowych

• Kombinacje jonów kationów i anionów i\n- Przykłady struktur cieczy jonowych:

  • 1-Butylo-3-metyloimidazoliowy [bmim]

  • Bis(trifluorometanosulfonylo)imidek [NTf2]

Właściwości fizykochemiczne cieczy jonowych

• Wysoka polarność

• Nielotność

• Niepalność

• Wysoka stabilność termiczna oraz ekstremalnie szeroki zakres temperatury w stanie ciekłym

• Wysoka stabilność na procesy utleniania/redukcji

• Uniwersalne "Designer Solvents"

• Możliwość projektowania systemów wielofazowych

• Dobra rozpuszczalność dla wielu gazów (H₂, O₂)

• Wpływ na szybkość reakcji oraz stereo-selektywność i wydajność w syntezie

Temperatura topnienia cieczy jonowych

• Przykłady temperatur topnienia dla różnych cieczy jonowych:

  • N-alilo-tetraalkilo-amoniowe i inne zestawienia z anionami jak BF4⁻ i Cl⁻

Historia rozwoju cieczy jonowych

• 1914: pierwsza ciecz jonowa (P. Walden): EtNH₃ + NO₃⁻

• 1963: badania nad zastąpieniem elektrolitów LiCl/KCl w bateriach (Lowell A. King, John Wilkes)

• 1978: odkrycie N-Alkilopirydyniochloroaluminianów – początku ery cieczy jonowych.

• 1991: odkrycie cieczy jonowych drugiej generacji; stabilność wobec wody i tlenu (Michael Zaworotko)

Zastosowania przemysłowe cieczy jonowych

• Pierwsze zastosowanie przemysłowe: produkcja alkoksyfenylofosfin (proces Basil™M)

Toksyczność cieczy jonowych

• Tabela toksyczności cieczy jonowych z danymi firmy BASF:

  • [emim]Cl - szkodliwa

  • [bmim]Cl - toksyczna

  • [bmim]OSO₃Me - toksyczna

  • Przykłady całkowicie "zielonych" cieczy jonowych o kationach z naturalnych aminokwasów oraz nietoksycznych anionach

Biodegradacja cieczy jonowych

• Wprowadzenie centrów hydrolizy enzymatycznej dla lepszej biodegradacji cieczy jonowych (gromadzenie grup hydroksylowych i karboksylowych)

Współczesne badania

• Przykłady badań w Queen‘s University Ionic Liquid Laboratory QUILL, prowadzone przez profesora Kena Seddona i profesora Jima Swindalla.

Specjalistyczne ciecze jonowe

• Rozwój specjalistycznych cieczy jonowych w latach 80. i 90. XX wieku oraz ich rolą w różnych aplikacjach inżynieryjnych.

Inne zastosowania cieczy jonowych

• Cieczy jonowe mają zastosowanie w chemii, inżynierii chemicznej, nanotechnologii, ekstrakcji, separacji, katalizie enzymatycznej oraz produkcie akumulatorów.

Ciecze jonowe: Wprowadzenie i Zastosowania

Ciecze jonowe stanowią nową klasę rozpuszczalników o znaczących zastosowaniach przemysłowych, często uznawanych za "zielone" rozpuszczalniki ze względu na ich korzystny profil środowiskowy.

Zasady Zielonej Chemii a Ciecze Jonowe

Zasady zielonej chemii obejmują dwanaście kluczowych punktów, mających na celu minimalizację negatywnego wpływu procesów chemicznych na środowisko. Są to: 1. Zapobieganie powstawaniu odpadów, 2. Ekonomia atomowa, 3. Mniej niebezpieczne syntezy, 4. Bezpieczne chemikalia, 5. Bezpieczniejsze rozpuszczalniki i materiały pomocnicze, 6. Wydajność energetyczna, 7. Użycie surowców odnawialnych, 8. Redukcja pochodnych, 9. Kataliza, 10. Degradacja, 11. Analityka "w czasie rzeczywistym", 12. Bezpieczniejsza chemia. Ciecze jonowe są szczególnie istotne w kontekście kilku z tych zasad: generują małą ilość odpadów zarówno w produkcji, jak i podczas użytkowania, a także oferują możliwość wielokrotnego zastosowania. Charakteryzują się wysoką wydajnością i selektywnością reakcji w niskich temperaturach oraz są efektywnymi rozpuszczalnikami dla katalizatorów, co odpowiada zasadom 5 (bezpieczniejsze rozpuszczalniki), 6 (wydajność energetyczna) i 9 (kataliza).

Historia Publikacji i Definicja

Historia publikacji na temat cieczy jonowych, mierzona w bazie SciFinder, wskazuje na dynamiczny wzrost ilości artykułów naukowych w latach 1980-2010. Zgodnie z definicją Riki Hagiwary i Yasuhiko Ito (Journal of Fluorine Chemistry, 2000), ciecze jonowe to sole o temperaturze topnienia równej lub niższej niż 100 °C.

Cechy Cieczy Jonowych jako "Zielonych Rozpuszczalników"

Zalety

Ciecze jonowe posiadają szereg zalet, które czynią je atrakcyjnymi jako "zielone" rozpuszczalniki. Są nielotne i niepalne, co minimalizuje ryzyko w środowisku pracy. Umożliwiają łatwy recykling i wydzielanie produktów, co zwiększa efektywność procesów i zmniejsza ilość odpadów. Ponadto, przyczyniają się do zwiększenia wydajności i selektywności w syntezie chemicznej.

Wady

Mimo licznych zalet, ciecze jonowe mają również pewne wady. Ich wysoka cena oraz ograniczona dostępność na rynku w skali ton stanowią barierę w szerokim zastosowaniu przemysłowym. Produkcja na dużą skalę wymaga również wysokiej czystości, co może być kosztowne. Inną cechą, która może stanowić wyzwanie w niektórych zastosowaniach, jest ich wysoka lepkość.

Budowa Cieczy Jonowych

Ciecze jonowe składają się z kationów i anionów. Typowe kationy obejmują 1-alkilo-3-metyloimidazoliowy, N-alkilo-pirydyniowy, N-metylo-tetraalkilo-amoniowy, tetralkilo-fosfoniowy oraz piperydyniowy. Aniony mogą być nieorganiczne, takie jak Cl⁻, Br⁻, I⁻, AlCl₄⁻, BF₄⁻, PF₆⁻, SbF₆⁻, lub organiczne, na przykład F$<em>{3}$CO$</em>{2}$S, SO$<em>{2}$CF$</em>{3}$, (CF$<em>{3}$SO$</em>{2}$)$<em>{2}$N⁻, CF$</em>{3}$SO$<em>{3}$⁻, CF$</em>{3}$CO$<em>{2}$⁻, CH$</em>{3}$SO$_{3}$⁻.

Zróżnicowanie Cieczy Jonowych

Zróżnicowanie cieczy jonowych wynika z możliwości kombinacji różnych kationów i anionów, co pozwala na projektowanie rozpuszczalników o specyficznych właściwościach. Przykłady typowych struktur cieczy jonowych to 1-Butylo-3-metyloimidazoliowy [bmim] oraz Bis(trifluorometanosulfonylo)imidek [NTf2].

Właściwości Fizykochemiczne Cieczy Jonowych

Ciecze jonowe charakteryzują się wieloma unikalnymi właściwościami fizykochemicznymi. Posiadają wysoką polarność, są nielotne i niepalne. Wykazują wysoką stabilność termiczną i ekstremalnie szeroki zakres temperatury w stanie ciekłym, a także wysoką stabilność na procesy utleniania/redukcji. Są często określane jako "Designer Solvents" ze względu na możliwość dostosowywania ich właściwości. Umożliwiają projektowanie systemów wielofazowych i wykazują dobrą rozpuszczalność dla wielu gazów (np. H$<em>{2}$, O$</em>{2}$). Mają również znaczący wpływ na szybkość reakcji oraz stereo-selektywność i wydajność w syntezie.

Temperatura Topnienia Cieczy Jonowych

Przykłady temperatur topnienia dla różnych cieczy jonowych pokazują ich zróżnicowanie, na przykład N-alilo-tetraalkilo-amoniowe i inne zestawienia z anionami takimi jak BF$_{4}$⁻ i Cl⁻.

Historia Rozwoju Cieczy Jonowych

Historia rozwoju cieczy jonowych rozpoczęła się w 1914 roku, kiedy P. Walden zsyntetyzował pierwszą ciecz jonową: EtNH$<em>{3}$ + NO$</em>{3}$⁻. W 1963 roku Lowell A. King i John Wilkes prowadzili badania nad zastąpieniem elektrolitów LiCl/KCl w bateriach. Przełom nastąpił w 1978 roku wraz z odkryciem N-Alkilopirydyniochloroaluminianów, co zapoczątkowało erę współczesnych cieczy jonowych. W 1991 roku Michael Zaworotko odkrył ciecze jonowe drugiej generacji, charakteryzujące się stabilnością wobec wody i tlenu.

Zastosowania Przemysłowe Cieczy Jonowych

Pierwsze zastosowanie przemysłowe cieczy jonowych miało miejsce w produkcji alkoksyfenylofosfin, w ramach procesu Basil™M.

Toksyczność Cieczy Jonowych

Badania toksyczności cieczy jonowych, w tym dane firmy BASF, wskazują na zróżnicowanie ich szkodliwości. Przykładem jest [emim]Cl uznawany za szkodliwy, a [bmim]Cl i [bmim]OSO$_{3}$Me za toksyczne. Jednakże, istnieją przykłady całkowicie "zielonych" cieczy jonowych, które składają się z kationów pochodzących z naturalnych aminokwasów oraz z nietoksycznych anionów, co otwiera drogę do bezpieczniejszych zastosowań.

Biodegradacja Cieczy Jonowych

Jednym z kierunków badań jest poprawa biodegradacji cieczy jonowych poprzez wprowadzanie centrów hydrolizy enzymatycznej, na przykład przez gromadzenie grup hydroksylowych i karboksylowych, co ma na celu przyspieszenie ich rozkładu w środowisku.

Współczesne Badania i Specjalistyczne Ciecze Jonowe

Współczesne badania nad cieczami jonowymi prowadzone są w ośrodkach takich jak Queen‘s University Ionic Liquid Laboratory QUILL, pod kierownictwem profesorów Kena Seddona i Jima Swindalla. Rozwój specjalistycznych cieczy jonowych w latach 80. i 90. XX wieku odegrał kluczową rolę w różnych aplikacjach inżynieryjnych.

Inne Zastosowania Cieczy Jonowych

Ciecze jonowe znajdują szerokie zastosowanie w wielu dziedzinach, w tym w chemii, inżynierii chemicznej, nanotechnologii, w procesach ekstrakcji i separacji, katalizie enzymatycznej, a także w produkcji akumulatorów.