离子液体的制备及在太阳能电池与有机合成中的应用<br/>——推荐一个综合化学实验*

离子液体的制备及在太阳能电池与有机合成中的应用
——推荐一个综合化学实验*

2013-09-23孙学芹武文俊

大学化学 2013年5期

孙学芹武文俊

(华东理工大学化学实验教学中心上海 200237)

1 实验研究背景

室温离子液体是一种新型的溶剂和催化剂，对有机金属、有机和无机化合物有很好的溶解性，由于其蒸气压低，可用于高真空下的反应，同时又无味、不燃，在作为环境友好的溶剂方面有很大的潜力。离子液体为极性化合物，可溶解作为催化剂的金属有机化合物，替换对金属具有高配位能力的极性溶剂。溶解在离子液体中的催化剂具有均相和非均相催化剂的优点，催化反应有高的反应速度和高的选择性，产物可通过静止分层或蒸馏分离出来；留在离子液体中的催化剂易回收、可循环使用。由于离子液体具有的这些特点，故在有机反应中得到广泛的关注。

阿司匹林(aspirin)学名为乙酰水杨酸，是一种广泛使用的具有解热、镇痛、治疗感冒和预防心血管疾病等多种疗效的药物。目前合成阿司匹林广泛使用浓硫酸作为催化剂，危险且污染环境，若改用离子液体为催化剂则安全环保，更符合绿色化学的理念。

2 实验目的

1-甲基-3-丁基-咪唑碘盐离子液体的制备及在染料敏化太阳能电池与水杨酸合成阿司匹林中的应用是该领域最基本的实验。通过本实验可以让学生了解当今国际上此领域的一些前沿信息；学习咪唑碘类离子液体的制备及最新应用——染料敏化太阳电池电解质体系，并对其光电性能进行表征；学习水杨酸合成阿司匹林的新方法——室温离子液体催化；提高学习兴趣，培养以创新的思路去分析问题、解决问题的能力。

3 实验原理及用途

1-甲基-3-丁基咪唑碘盐制备是原子经济性反应，投入的原料可全部转化为产物，符合绿色化学的要求。其反应式如下：

该实验制备的离子液体主要有以下两方面用途：

(1) 用于染料敏化太阳电池。

通常情况下，I-在染料敏化太阳能电池电解质中是用来使注入电子后的染料氧化态得到再生：

实验中使用的咪唑碘离子液体既为染料敏化太阳电池提供了I-，又起溶剂的作用。

(2) 用于催化阿司匹林的合成。

通常阿司匹林是在浓硫酸的催化下，由水杨酸(邻羟基苯甲酸)和乙酐反应合成，反应废液会对环境造成一定污染。

本实验阿司匹林的合成采用环境友好的离子液体作为催化剂，离子液体催化剂可重复使用，大大降低了反应成本。以酸为催化剂的阿司匹林合成反应式如下：

4 仪器和试剂

4.1 仪器

50mL三口烧瓶，磁力搅拌器，恒压滴液漏斗，球形回流冷凝管，旋转蒸发器等。

4.2 试剂

1-甲基咪唑，1,1,1-三氯乙烷，正碘丁烷，水杨酸，乙酸酐，乙醚，异丙醇，TiO2浆料，N719染料，氯铂酸等，所使用试剂均为分析纯。

5 实验步骤

5.1 1-甲基-3-丁基咪唑碘盐的制备

在装有恒压滴液漏斗、回流冷凝管的50mL三口烧瓶中加入3.0g(0.037mol)1-甲基咪唑及20mL 1,1,1-三氯乙烷，磁力搅拌下，用恒压滴液漏斗缓慢滴加6.8g(0.037mol)正碘丁烷，滴毕，溶液变混浊，加热回流1h，停止搅拌。用旋转蒸发器将溶剂1,1,1-三氯乙烷蒸出，得到黏稠状1-甲基-3-丁基咪唑碘盐液体。

5.2 电极的制备

5.2.1 光阳极的制备

在导电玻璃导电面沿边缘贴胶带，中间预留需要的方形面积，并固定于试验台。在上沿处放少许TiO2浆料，用干净的玻璃棒刮涂，撕掉胶带，将TiO2膜在空气中静置3min，在烘箱内125℃烘6min，然后放入马弗炉500℃煅烧30min。冷却至80℃时将TiO2膜浸泡至3×10-4mol/L的N719乙醇溶液中过夜。第二天取出，用无水乙醇冲洗，电吹风吹干，待用。

5.2.2 对电极的制备

将氯铂酸配制成0.02mol/L的异丙醇溶液，用玻璃棒刮涂于导电玻璃导电面，然后在马弗炉内400℃煅烧15min，降至常温后保存待用。

5.3 阿司匹林的合成

在装有回流冷凝管的50mL三口烧瓶中加入4.8g(0.035mol) 水杨酸、7mL(0.07mol) 乙酸酐和2mL 1-甲基-3-丁基咪唑碘盐离子液体；在磁力搅拌下80℃反应1h。停止搅拌后冷却至室温，加入乙醚萃取(10mL×2)，合并有机层，蒸去乙醚，将反应液倒入装有50mL 冷水的烧杯中，搅拌至阿司匹林全部析出，抽滤，用少量水洗涤，得粗品。用乙酸乙酯重结晶，得无色晶体乙酰水杨酸，称重，计算收率，测熔点，用红外光谱对产物进行分析。