磺酸基三乙胺离子液体的合成

2012-09-14文志红陈茁

杭州化工 2012年2期

关键词：三乙胺磺酸产率

文志红，陈茁

（1.天津科技大学材料科学与化学工程学院，天津300457；2.天津大学材料科学与工程学院，天津300072）

磺酸基三乙胺离子液体的合成

文志红1，陈茁2

（1.天津科技大学材料科学与化学工程学院，天津300457；2.天津大学材料科学与工程学院，天津300072）

考察了各因素对磺酸基三乙胺离子液体产率的影响。从实验数据上可以得出，最佳的工艺条件是：三乙胺与浓硫酸的配比1.2∶1（mol/mL），反应时间3 h，反应温度10℃。

磺酸基三乙胺；离子液体；三乙胺；合成

离子液体（Ionic Liquid）是由有机阳离子和无机或有机阴离子构成的，它是在室温下呈液体状态的盐类。离子液体的主要用途是作为一种新型环保溶剂，它以其难挥发、安全无毒的特性，有望成为传统有机溶剂和有机催化剂的有效替代品，从而使大量自然资源的充分利用和无法处理的废弃物的重复利用成为可能。离子液体在世界上属于热门前端的研究，具有极高的科学价值和现实意义。近年来，人们逐步认识到环境保护及可持续发展的重要性，开发与实施绿色和清洁技术战略已成为世界性的共识。特别是在日趋激烈的化工市场中，追求绿色化工和环境友好体系已是化工行业转向的重点。磺酸基三乙胺离子液体可以作为木质素的优良溶剂用于溶剂制浆造纸。主要性能是：非挥发性或“零”蒸汽压；低熔点、宽液程；良溶性，对很多无机和有机物质都表现出良好的溶解能力，且有些具有介质和催化双重功能；强的静电场；宽的化学窗口；良好的离子导电与导热性、高的热容及热能储存密度；一般不可燃，热容量较大且粘度低，大多具有较好的热稳定性和化学稳定性，可循环使用［1］-［3］。

1 实验

1.1 实验设备与试剂

1.1.1 实验设备

DK-9-1电热恒温水浴锅，天津市泰斯特仪器有限公司；WQF-510傅立叶变换红外光谱仪，北京第二光学仪器厂。

1.1.2 实验试剂

三乙胺，工业纯，天津市凯通化学试剂有限公司；98%浓硫酸，工业纯，天津市北方天医化学试剂厂。

1.2 实验原理

采用一步合成法合成磺酸基三乙胺酸性离子液体，其反应方程式为：

1.3 实验方法［5］-［7］

向250 mL的四口瓶中加入0.5 mol的三乙胺和一定量的去离子水，在冰水浴中将其冷却到一定温度范围内，于剧烈搅拌下滴加一定体积的98%的浓硫酸溶液，滴加完成后保温1 h，得到淡黄色液体，在旋转蒸发仪上除去水分和未反应的三乙胺，得到淡黄色微粘的磺酸基三乙胺酸性离子液体。将它置于烘箱内干燥12 h，称重，计算收率。

1.4 红外光谱表征

本实验的红外光谱表征是在WQF-510型傅立叶变换红外光谱仪上进行，仪器分辨率为4 cm-1，扫描次数是32，扫描范围为500～4200 cm-1。

取100 mg左右的纯KBr，将其在玛瑙研钵中研细，装到模具中，放在压片机上控制压力在6 Mpa，2 min后减压，制得透明薄片，采集底样谱图。然后将离子液体涂在KBr盐片上，干燥后采集样品谱图。

2 各因素对磺酸基三乙胺离子液体产率的影响

2.1 单因素实验

（1）反应时间对磺酸基三乙胺离子液体产率的影响

3.1.1 如果对手竞技水平相对于自己较差，这样运动员往往会出现精神状态不紧张、攻击意识不强、低估敌人的能力现象，认为自己可以自由发挥，轻而易举就能拿下比赛。对自己也没有了进攻和防守的欲望。这时球员在身体和心理上都是非常放松的状态，慢慢这场比赛输的风险被逐渐显露出来，那么一旦比赛处于不利状态，情绪开始暴躁，心理也受到了波动，比赛节奏已经超出控制，逐渐失去自我控制。这时的运动员很难再回到合适的比赛状态。（见表1）

实验条件：原料比为1∶1，反应温度为10℃，反应时间分别为1 h、1.5 h、2 h、3 h、4 h。考察反应时间对磺酸基三乙胺离子液体产率的影响，结果如图1。

由图1可知，随着反应时间的增加，磺酸基三乙胺离子液体的产率逐渐增加。3 h以前，增幅较大，3 h之后，产率有微弱的降低，因此反应时间选取3 h较为合适。

（2）原料比（三乙胺：硫酸）对磺酸基三乙胺离子液体产率的影响

选用三乙胺与98%的硫酸反应，三乙胺与硫酸的比例分别为1∶1、1.1∶1、1.2∶1、1.3∶1、1.4∶1（mol/mol）的五种原料比，固定反应条件温度10℃，反应时间3 h，考察原料比对磺酸基三乙胺离子液体产率的影响。

由图2可知，随着三乙胺与硫酸比例的增加，离子液体的产率先逐渐增大，在比例达到1.2∶1时，产率达到96.56%，因此硫酸与三乙胺的比例1.2∶1为最佳配比。

（3）反应温度对磺酸基三乙胺离子液体产率的影响

在原料比为1∶1，反应时间为3 h的条件下，分别在5℃、10℃、20℃、30℃、40℃温度下反应，考察反应温度对磺酸基三乙胺离子液体产率的影响。

（4）加料顺序对磺酸基三乙胺离子液体产率的影响

表1 实验试剂

由表1可以直观地看出，先加三乙胺所得到的离子液体的产率比先加硫酸所得到的离子液体的产率大。

2.2 正交实验

基于单因素实验结果，制定因素水平表，见表2。

表2 因素水平表

此为三因素三水平表，因此选用正交表L9（34）进行实验，并处理数据，结果见表3。

表3 正交表

表4 最优合成条件下的验证实验

由表4可知，最优工艺条件下即浓硫酸与三乙胺的摩尔比为1.2∶1，反应温度为10℃，反应时间为3 h，磺酸基三乙胺离子液体的产率可稳定在96.53%左右。

2.4 红外光谱表征磺酸基三乙胺离子液体

从图4看出，在3429 cm－1处的峰是仲胺中－NH的伸缩振动峰，由于氮原子的电负性较强，分子内有氢键形成，因此在低波数一边3336 cm－1处出现小峰。2978 cm－1处为－CH3的伸缩振动吸收峰，2943 cm－1处为－CH2的伸缩振动吸收峰，1487 cm－1和1396 cm－1的峰为其弯曲振动峰，其中1396 cm－1处－为与季氮正离子相连的－CH2的弯曲特征吸收。而S＝O键的振动吸收峰位于1045 cm－1。参考图谱见文献［4］，以上分析所得结论与参考文献上的文献图谱结论一致，初步证明所合成的离子液体是磺酸基三乙胺离子液体。