含硫酸根表面活性离子液体的界面性能计算模拟开题报告

 2021-11-05 19:09:09

1. 研究目的与意义(文献综述包含参考文献)

文献综述

1 选题背景及意义

1.1 选题背景

绿色化学已经成为当今化学研究的热点和前沿,并且是21世纪化学发展的重要方向之一。 在离子液体功能化的过程中,人们发现具有较长疏水基的离子液体具有表面活性,从而将离子液体的特色和表面活性剂的性质有机结合。表面活性离子液体(缩写为SAILs),兼具有离子液体与表面活性剂的双重性质,具有离子液体的结构可设计性及表面活性剂的形成分子有序聚集体的能力。离子液体的优点之一是其物理化学性质可以随着对阴、阳离子及取代基的调变而进行变化,将一些功能团引入到离子液体的阳离子或阴离子上,即可得到具有某些特殊功能或特性的离子液体[1]。当离子液体上引入足够疏水性的功能团时,便成了两亲分子,具有了表面活性剂的显著特征,被称为SAILs。与传统的表面活性剂一样,表面活性离子液体在水溶液中会自发地发生聚集形成各种类型热力学稳定的聚集体。

1.2 选题意义

离子液体具有液态温度范围宽,蒸汽压几乎为零,几乎不挥发,对很多无机和有机物质都具有良好的溶解能力,且具有溶剂和催化剂的双重功效,可设计性强等优点这些优异的特性是离子液体特有的、传统的有机溶剂无法比拟的。此外,它们作为对环境有害的挥发性有机溶剂的替代品已经引起了学术界和工业界的极大兴趣。

与传统溶剂相比,离子液体的普及有两大优势。首先,它们的主要优点是其独特的化学和物理特性,包括低熔点、可忽略的蒸汽压、不易挥发和易燃以及高热稳定性,并且它们可以经常回收利用。这意味着它们提供了一种环境友好的替代品,取代了工业过程中通常用作溶剂的挥发性有机化合物。其次,根据我们的需要,可以对离子液体的阴阳离子成分进行微调,以调整其理化性质,可以设计和合成ILs。了解离子液体的表面界面性质包括界面张力对于进一步深入研究和揭示离子液体在各个领域相互作用的内在本质,对认识界面结构、界面分子的相互作用是非常必要的,对各种与离子液体有关的工业过程的开发、设计和模拟以及工业生产都具有重要意义。此外,离子液体的高极性、疏水性及溶解性等均可以通过选用不同的阴阳离子和侧链取代基而改变,故又称之为设计溶剂,已应用于生物催化、分离科学及电化学等诸多领域。

2 国内外研究现状(含文献综述)

国内研究现状:2006年,张海波等人以不同碳链长度的卤代烃与N-甲基-2-吡咯烷酮通过季铵化反应合成了一系列表面活性离子液体,并研究此系列离子液体的性质,它有离子液体的特性,也具有优良的表面活性及较好的生物相容性。2008年,易封萍[2]等以1-甲基咪唑为原料,制备了一系列常规的具有表面活性的离子液体,并研究了这些离子液体的一些物理性能,并检测了它们与一般溶剂的互溶性,测定了其表面张力和发泡性。2009年,杨许召等着重研究了合成的一系列具有表面活性的物质的表面吸附、临界胶束浓度、表面张力等表面性能,介绍了离子液体型表面活性剂在微乳液聚合和酶催化反应中的应用,并对其发展方向进行了展望。

国外研究现状:2003年,JohnD.Holbrey等人以烷基咪唑为原料合成了1-羟丙基-3-烷基咪唑表面活性离子液体,并研究了其最佳工艺条件。2004年,BangSookLee等人合成了对称表面活性离子液体,并研究了其性能。Bindong等人合成了长链烷基咪唑型离子液体,并对其表面活性进行了研究测出其cmc及其胶束聚集数。

2.1 离子液体

离子液体是一种在室温或近于室温情况下呈液态的,由有机阳离子和无机或有机阴离子构成的有机盐,也叫室温离子液体。离子液体作为一种新型的绿色材料并且在精细有机合成、催化、电化学、材料科学、生物工程以及能源等领域得到了广泛的应用。现有的应用最为广泛的离子液体为烷基甲基咪唑盐,然而其设计性差、极性大、憎水性弱、有机性能低的缺陷限制了其在工业上的进-步应用。因此设计开发新型的、具有特殊功能的离子液体材料来满足不同的需求并丰富离子液体基础化学理论,具有重要意义。

2.1.1 种类

离子液体一般是由阴、阳离子组成的液态物质它一般由有机阳离子和无机或有机阴离子构成,常见的阳离子有季铵盐离子、季鏻盐离子、咪唑盐离子和吡咯盐离子等,阴离子有卤素离子、四氟硼酸根离子、六氟磷酸根离子等。研究的离子液体中,阳离子主要以咪唑阳离子为主,阴离子主要以卤素离子和其它无机酸离子(如四氟硼酸根等)为主[2]

2.1.2 特性

由于离子液体具有特殊的结构,所以具有特殊的物理化学性质[3-4]

(1)良好的热稳定性。离子液体的热稳定性取决于其碳、氢原子与杂原子之间键合作用力的强弱。相比水和大多数有机溶剂,一些离子液体在400C以上仍以液体形式存在,使之具有良好的动力学可控性和优良的催化活性。

(2)温度范围大。由于离子液体结构的特殊性和不对称性,不同的离子液体有着不同的熔点范围。如1-烷基-3甲基咪唑类离子液体,会随着阳离子上烷基链长的增加,熔点降低,这是由于分子不对称性的增加。但当碳链长度超过一定程度后,链长增加,熔点也会增加,这是由于分子间的色散力增强。此外阴离子的尺寸越大,离子液体的熔点越低。

(3)密度。离子液体的组成在很大程度上决定了离子液体的密度。通常情况下,离子液体的密度随着阳离子体积的增大而降低,而随着阴离子体积的增大而增大。

(4)良好的溶解性。对包括芳香族、脂肪族、杂环化合物及聚合物在内的大部分有机物而言,离子液体有很强的溶解性。但对于一些无机物(包括一些金属有机催化剂和少数无机盐),离子液体的溶解性相对较差。

此外,离子液体还具有不易挥发、不可燃、可重复利用、热稳定性好、物化性质可调等特点。

2.2 表面活性离子液体

2.2.1表面活性

表面活性作为液体表面的一项重要理化性质,主要取决于表面分子的相互作用。离子液体是由阴、阳离子组成的复杂化合物,其水溶液内部存在范德华力、库仑力、氢键等多种相互作用,这些作用均会影响离子液体水溶液表面活性的高低[5]

2.2.1.1 离子液体结构对其表面活性的影响

2.2.1.1.1疏水链长度的影响

近来,JIAOJ. J. [6]等人研究了基于离子液体的阴、阳离子表面活性剂在水溶液中的聚集行为,发现对于[Cnmim][CmSO4]系列表面活性剂来说,随着总碳原子数的增多,该类离子液体降低表面张力的效率(pc20)和降低表面张力的效能(Πcmc)都呈现增大的趋势。

2.2.1.1.2阴离子类型的影响

阴离子由于其形状、大小、碱性等性质的不同而影响离子液体的表面活性[7]。Blesic课题组研究发现,体积越大和疏水性越强的阴离子与亲水头基之间的结合能力越强,更能有效地降低头基之间的静电排斥作用,更有利于其在气/液界面上进行吸附。

2.2.1.1.3阳离子结构的影响

Wang HY等人的研究发现阳离子结构对离子液体表面活性的影响比较复杂,主要取决于阳离子头基间的静电排斥作用、水化作用、空间位阻及阴阳离子间的相互吸引以减小疏水基在水中的暴露。

2.2.2 结构特征

离子液体表面活性剂是一种功能化离子液体,是由疏水侧链和亲水头基两部分组成,并且其疏水侧链与亲水头部具有双亲特性,极性与亲水性/亲油性可以通过选择合适的阴、阳离子来进行调整[8]

2.2.2.1 分类

表面活性剂的分类方法是多种多样的。根据其在溶液中是否电离,可以分为离子型表面活性剂和非离子型表面活性剂。按照溶解性分类,可以分为水溶性表面活性剂和油溶性表面活性剂。若按分子量的大小分类,又可以分为高分子表面活性剂和低分子表面活性剂。而表面活性离子液体可以按所带电荷和结构特征进行分类[9]

2.2.2.1.1 按所带电荷分类

根据离子液体表面活性剂所带电荷的种类,可以将离子液体表面活性剂划分为三种。

(1)阳离子型表面活性离子液体:在离子液体的阳离子母体上引入长的疏水基,就形成了阳离子型离子液体表面活性剂。与传统阳离子表面活性剂不同的是,带电阳离子基头除了传统季氮原子外,多由含有杂环的季氮、季锍所形成[10]。结构特征如下:

(2)阴离子型表面活性离子液体:与传统阴离子型表面活性剂相似,具有表面活性的基团是带有负电荷的传统阴离子表面活性剂,只是阳离子由传统的金属离子或铵离子替换成了离子液体中的阳离子。如C18H17SO4[BMIM]溶于水后,会在水中形成具有表面活性的阴离子C18H17SO4和具有正电荷的丁基甲基咪唑阳离子[BMIM]

(3)两性表面活性离子液体:与传统两性表面活性剂相似,如果将传统的季氮替换成具有杂环结构的季氮,就形成了两性离子液体表面活性剂,如烷基咪唑与氯乙酸钠反应就生成了两性离子液体表面活性剂。

2.2.2.1.2 按疏水基与离子液体阳离子的连接方式分类

表面活性离子液体可分为单子表面活性剂、双子表面活性剂和Bola型表面活性剂三类结构。

(1)单子型表面活性离子液体:这类表面活性剂中,具有表面活性的基团只有一个,所带的电荷可以是负电荷、正电荷或两性。

(2)双子型表面活性离子液体:利用比较短的连接基将两个结构相同或不同的表面活性剂分子连接在一起就形成了双子表面活性剂。 对称双子离子液体表面活性剂的结构变化主要由阳离子基团和连接基主导。然而非对称双子离子液体表面活性剂更加多变,除了不同的阳离子结构组合外,也可以使两个阴离子相同或不同,从而呈现出结构的多样性和性能的调控性。

(3)Bola型表面活性离子液体:用一个长的连接基将两个离子液体的阳离子基团连接起来就形成了Bola型表面活性离子液体。 根据长连接基两端的阳离子基团的结构,可以分为对称型离子液体表面活性剂和非对称型离子液体表面活性剂[11]

2.2.2.1.3咪唑类表面活性离子液体

Zaworotko所在的研究小组于1922年首次合成了熔点低,具有较强的稳定性及抗水解性的1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐类离子液体,之后,关于具眯唑环结构TSILs的研究得到了迅猛发展,此类TSILs也随之被命名为咪唑类功能化离子液体。之后,各式各样的咪唑类离子液体开始层出不穷,但很少有人对它们的表面活性进行深人研究。直到2007年,由Baltazar[12]领导的研究小组合成了一系列N-烷基咪唑类离子液体,并研究了该类离子液体的表面活性,最终确定它们是具有表面活性的新型咪唑类离子液体表面活性剂。

近年来,带有长链烷基的离子液体凭借着其具有优良的表面活性引起了化学研究者广泛的兴趣,这直接把离子液体的研究与传统的胶体与表面化学研究有机的结合起来。双子咪唑表面活性剂是一种新型的表面活性剂,它融合了传统双子表面活性剂和单碳链的长链离子液体的优点[13-15]

表1 常见的咪唑离子表面活性剂及合成方法

分子结构

合成方法

一步法:以N-烷基咪唑和CH3CF3SO3为原料;大致条件:反应最好在有机溶剂和N2存在的条件下进行,反应温度和催化剂与传统季铵化反应相似[16]

复分解法:以N-烷基咪唑、溴代烷烃以及Pb[BF4]2为原料;大致条件:采用水相法,以水为反应介质,并采用能与卤素反应生成沉淀的试剂[17]

复分解法:用[CnMIM]Br与阴离子交换树脂进行离子交换除去Br-,再把等物质的量的氨基酸水溶液逐滴加人到中间产物中,得到阴离子为氨基酸的纯度较高的离子液体型表面活性剂[18]

2.2.3 聚集行为

当表面活性离子液体水溶液浓度达到cmc以上时,表面活性离子液体可以在水溶液中形成聚集体,使其在水溶液中的界面能最小。常见的聚集体结构有胶束、囊泡及液晶相等。当表面活性离子液体水溶液浓度达到cmc以上时,表面活性离子液体可以在水溶液中形成聚集体,使其在水溶液中的界面能最小。常见的聚集体结构有胶束、囊泡及液晶相等[19-20]

2.2.4 表面张力

表面张力是衡量具有表面活性的物质表面性能高低的重要指标,影响表面张力的主要有温度、水质量分数和表面活性物质本身结构等因素。离子液体表面活性剂对油/水界面张力有优良的降低能力,优于传统的阳离子表面活性剂和阴离子表面活性剂,特别是在高浓度无机盐存在下,阳离子型离子液体表面活性剂降低界面张力的能力更大,这使离子液体表面活性剂应用于三次采油成为可能[21]

2.3 表面活性离子液体的合成

2.3.1 合成发展史

在1999年,Holbrey等人的研究组通过两步法合成了一系列的1-烷基-3-甲基咪唑类离子液体([C2-18mim]BF4),但他们只研究了它们的熔点、液晶态等性质,并没有将其作为表面活性剂去研究。到2001年,以Huddleston为首的研究组合成了阳离子为[C4-8mim] 的离子液体,并研究其烷基链长短的变化对亲水性的影响以及阴离子对疏水性的影响。以Yan为首的研究组直接用一步合成法合成了溴化-1-十二烷基-3-甲基咪唑和溴化1-(2-丙烯酰氧癸基)-3-甲基咪唑,研究得出其对稳定微乳液有一定作用。

之后,一些化学家们陆续合成了各种各样的离子液体,但是,很少人研究离子液体的表面活性。直到2006年,以张海波[22]为首的研究组直接用季铵化反应合成了一系列N-烷基-N-甲基-2-吡咯烷酮溴化盐(CnMPnBr),并研究了它们的熔点、黏度、电化学窗口等性质,并得出它们是具有表面活性的新型离子液体。

2.3.2 系列阴离子表面活性离子液体的合成

如用1-丁基-3-甲基咪唑([BMIM][X])制备1-丁基-3-甲基咪唑正烷基磺酸盐([BMIM][n-RSO3]),反应路线如下[23]:

2.4 高斯软件进行量子化学分析

2.4.1高斯软件

高斯程序(Gaussian),Gaussian是做半经验计算和从头计算使用最广泛的量子化学软件,可以研究:分子能量和结构,过渡态的能量和结构,化学键以及反应能量,分子轨道,偶极矩和多极矩,原子电荷和电势,振动频率,红外和拉曼光谱,NMR,极化率和超极化率,热力学性质,反应路径。

2.4.2密度泛函理论

密度泛函理论(Density functional theory ,缩写DFT)是一种研究多电子体系电子结构的量子力学方法。密度泛函理论在物理和化学上都有广泛的应用,特别是用来研究分子和凝聚态的性质,是凝聚态物理计算材料学和计算化学领域最常用的方法之一。是电子结构理论的经典方法,特别是Hartree-Fock方法和后Hartree-Fock方法,是基于复杂的多电子波函数的。密度泛函理论的主要目标就是用电子密度取代波函数做为研究的基本量[24]

2.4.2量子化学研究进展

以El-Sayed R.E. Hassan[25]为首的研究者采用密度泛函理论(DFT)计算了所研究的阳离子和阴离子的最小能量几何,并采用混合Becke 3-Lee-Yang-Parr,B3LYP,交换相关函数与6-311 G(d)基集进行几何优化,利用从头计算研究葡萄糖或纤维素与咪唑基离子液体之间相互作用的基本性质,并将这些结果与实验数据进行比较。董坤[26]等人采用量子化学从头算方法对咪唑阳离子同系物和阴离子AlCl4-、AlCl7-进行了全优化计算,得到了阴阳离子的平衡几何构型和净电荷。Wang等人[27]用密度泛函理论从分子水平上研究了CH3(CH2)7OSO3-(H2O)n(n=0-6)在气液界面上与水分子的相互作用,结果表明6个水分子与极性头以氢键形式构成水合层,形成的氢键属于中强氢键,结合能数据表明水合层是稳定的。颜肖慈等人[28]采用Onsager溶剂模型探讨了表面活性剂在溶液中的电子结构特征。Fang等人[29]采用自洽反应理论的Tomasi极化统一模型研究了十二烷基磺酸钠在溶液中的电子结构特征,但是计算工作均未从分子水平上给出表面活性剂吸附在溶液表面上的结构变化以及溶剂分子间相互作用的实质。

2.4.3 量子化学分析

采用高斯软件Gaussian 16W软件从头计算程序,以RHF方法进行全优化计算。C10S04-和咪唑盐系列进行建模,当分别建模完成后,分别添加(H20)n(n=l-4),分析研究随着水分子数目的增加,极性头电荷、键长、键角的变化,水合物的结合能、偶极矩以测得阴阳离子水溶液的界面性能。而后对阴离子表面活性离子液体进行建模,即如图所示:

在此基础上在易形成H键的地方逐个添加1-2个水分子,放入计算机进行分析,得出结果。随着水分子数增加疏水基链长收缩,亲水基总电荷增加,键角增大;由于烷烃链带有了弱电荷,使胶束内核带有了部分极性,此种极性介于烷烃油相和水相的极性之间,利于表面活性剂在溶液中的聚集[30-31]

本课题以AmimCl, EmimCl、EtmimCl、BmimCl, HmimCl、OmimCl和癸烷硫酸钠等为原料,把咪唑阳离子水合物,如[Bmim] (H2O)n)(n = 0-4),阴离子水合物([C10H23SO4](H2O)n) (n = 04)和SAIL水合物(使用Gaussian 16W对(H2O)n)(n = 1-3)进行优化。以确定胶束化趋势[32]

3总结目前对表面活性离子液体的研究主要集中于新型表面活性离子液体的设计合成及表界面性能研究,用量子化学方法研究此类表面活性离子液体的报道较少。因此, 若能用量子化学方法从分子水平上研究吸附在气液界面上的表面活性离子液体与溶剂分子间的相互作用,不仅能带动量子化学方法在表面活性离子液体领域中的应用,也能从理论上为更好地解释表面活性离子液体在气液界面上的吸附提供参考。通过分子设计的理念,将离子液体的特征基团引入到表面活性剂分子中,将表面活性剂和离子液体有机结合起来,兼有两者的性质,不仅可以补充表面活性剂的新品种,有助于改善传统表面活性剂有序聚集体的性质,同时也会大大拓展离子液体的应用领域,有望在某些领域中替代传统表面活性剂。 尽管目前离子液体表面活性剂的品种不太多,但其结构的可设计性强,

未来将会有更多的与环境有更好相容性的新结构和品种被研究和开发。

4 论文思路

1、本课题以AmimCl, EmimCl、EtmimCl、BmimCl, HmimCl、OmimCl和癸烷硫酸钠等为原料,合成含硫酸根阴离子表面活性离子液体, 利用NMR确认合成产物的结构。

2、根据量子化学方法中的密度泛函理论,采用高斯软件Gaussian 16W获取硫酸根阴离子表面活性离子液体与不同水分子C10S04-(H20)n(n=l-4)的最优化结构;咪唑阳离子与不同水分子(H20)n(n=l-4)的最优化结构。

3、研究随着水分子数目的增加,极性头电荷、键长、键角的变化,水合物的结合能、偶极矩。阐明水分子与硫酸根阴离子表面活性离子液体的分子作用机理及作用规律。

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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

一、研究目的

表面活性离子液体兼具有离子液体与表面活性剂的双重性质,具有离子液体的结构可设计性及表面活性剂的形成分子有序聚集体的能力。不仅可以补充表面活性剂的新品种,有助于改善传统表面活性剂有序聚集体的性质,同时也会大大拓展离子液体的应用领域,有望在某些领域中替代传统表面活性剂。 目前对表面活性离子液体的研究主要集中于新型表面活性离子液体的设计合成及表界面性能研究,用量子化学方法研究此类表面活性离子液体的报道较少。因此, 若能用量子化学方法从分子水平上研究吸附在气液界面上的表面活性离子液体与溶剂分子间的相互作用,不仅能带动量子化学方法在表面活性离子液体领域中的应用,也能从理论上为更好地解释表面活性离子液体在气液界面上的吸附提供参考。

二、研究内容

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