酯基离子液体的合成与结构表征

郑 勇，皇超士，崔佳佳，靳颜敏

(安阳工学院 化学与环境工程学院，河南 安阳 455000)

离子液体作为一种特殊的室温熔融盐，具有良好的物理化学性质，因而在催化、有机合成、电化学和功能材料等化学化工领域得到了广泛的应用[1]。在此基础上，为了满足不同研究的需要，人们可以通过在阳离子、阴离子上添加一定的官能团来获得具有特定性质的功能化离子液体，从而进一步扩展了离子液体的应用范围[2]。

在功能化离子液体中，含有酯基的体系受到了越来越多的关注[3]。研究表明，当阳离子上引入酯基后，能够提高离子液体的热稳定性、以及电化学和润滑性能[4]。例如，一些酯基离子液体与锂盐混合后，锂离子的扩散性得到增强，改善了电解质体系的导电能力。因此，酯基离子液体可以作为新型添加剂或电解质溶液用于电池的制备[5]。另外，酯基离子液体还具有较好的降解性，有利于环境保护和回收利用[6]。然而，目前国内外对这些离子液体结构和性质的了解还不够深入，有必要加强有关研究。

本文从上述现状出发，首先合成了两种典型的酯基离子液体，即1-乙酸乙酯基-3-甲基咪唑氯盐、1-丁酸乙酯基-3-甲基咪唑溴盐。然后，通过红外吸收光谱和核磁共振波谱对产物进行了测试。根据实验结果，从分子、原子层次上系统分析了酯基离子液体的结构。

1 实验部分

1.1 试剂

N-甲基咪唑、氯代乙酸乙酯、4-溴丁酸乙酯购于玛雅试剂有限公司，乙醚购于北京化学试剂公司。以上所有试剂的质量纯度均高于99%。

1.2 仪器

电子分析天平(Mettler Toledo，MS204S)，真空干燥箱(精宏，DZF-6020)，集热式磁力搅拌器(大龙，MS-H280-Pro)，旋转蒸发仪(亚荣，RE-52)，循环水式真空泵(予华，SHZ-D(III))，傅里叶变换红外光谱仪(Nicolet，iS10)，核磁共振波谱仪(Bruker，av-400)。

1.3 合成方法

1-乙酸乙酯基-3-甲基咪唑氯盐：首先，将N-甲基咪唑与氯代乙酸乙酯以物质量比1∶1.2混合，在70℃下连续搅拌反应24 h。然后，采用乙醚对获得的粗产物进行反复萃取提纯，在此基础上通过旋转蒸发仪去除体系中的挥发性杂质。最后，将产物置于-0.1 MPa的真空干燥箱中干燥24 h。

1-丁酸乙酯基-3-甲基咪唑溴盐：首先，将N-甲基咪唑与4-溴丁酸乙酯以物质量比1∶1.2混合，在70℃下连续搅拌反应24 h。随后，通过乙醚对得到的粗产物进行反复萃取提纯，在此基础上采用旋转蒸发仪去除体系中的挥发性杂质。最后，将产物置于-0.1 MPa的真空干燥箱中干燥24 h。

2 结果与讨论

在完成合成实验的基础上，通过红外吸收光谱和核磁共振波谱对两种酯基离子液体进行了表征研究，有关内容具体如下。

2.1 红外吸收光谱

1-乙酸乙酯基-3-甲基咪唑氯盐的红外吸收光谱如图1所示。其中，3055 cm-1处的吸收峰源于咪唑环上碳氢键的伸缩振动，而2981 cm-1附近的吸收峰对应着侧链上甲基、亚甲基中碳氢键的伸缩振动。同时，1741 cm-1处的吸收峰代表了乙酸乙酯基中碳氧键的伸缩振动，1170～1564 cm-1范围内的吸收峰分别来自于咪唑环上碳碳键和碳氮键的振动。另外，578～1016 cm-1范围内的吸收峰主要取决于阳离子中碳氢键的弯曲振动。

图1 1-乙酸乙酯基-3-甲基咪唑氯盐的红外吸收光谱图

1-丁酸乙酯基-3-甲基咪唑溴盐的红外吸收光谱如图2所示。其中，3056 cm-1附近的吸收峰代表了体系咪唑环中碳氢键的伸缩振动，2978 cm-1处的吸收峰主要来源于阳离子侧链上甲基和亚甲基中碳氢键的伸缩振动。其次，1723 cm-1处的峰归因于丁酸乙酯基中碳氧键的伸缩振动，而1170～1571 cm-1范围内的吸收峰对应了咪唑环中碳碳键和碳氮键的振动。另一方面，622～1028 cm-1范围内存在的吸收峰主要来自于咪唑阳离子上碳氢键的弯曲振动。

图2 1-丁酸乙酯基-3-甲基咪唑溴盐的红外吸收光谱图

2.2 核磁共振波谱

1-乙酸乙酯基-3-甲基咪唑氯盐的核磁共振波谱1H NMR中，相关峰的化学位移数据δ为：10.33(s，1H)，7.72(s，1H)，7.61(s，1H)，5.51(s，2H)，4.26(q，2H)，4.09(s，3H)，1.30(t，3H)。根据核磁共振波谱的原理，化学位移为10.33、

7.72、7.61的三个单峰分别对应于咪唑环上2、4和5位上的氢原子，化学位移为5.51、4.26的一个单峰和一个四重峰分别来源于乙酸乙酯基上1位亚甲基、4位亚甲基中的氢原子。另外，4.09、1.30位移处的一个单峰和一个三重峰对应于咪唑环上3位甲基、乙酸乙酯基上5位甲基中的氢原子。

1-丁酸乙酯基-3-甲基咪唑溴盐的核磁共振波谱1H NMR中，相关峰的化学位移数据δ为：9.82(s，1H)，7.49(s，1H)，7.47(s，1H)，4.19(t，2H)，3.82(s，3H)，3.80(q，2H)，2.14(t，2H)，1.95(m，2H)，0.93(t，3H)。根据核磁共振波谱的有关理论，化学位移为9.82、7.49、7.47的三个单峰分别代表了咪唑环上2、4和5位上的氢原子，3.82、4.19、3.80位移处的一个单峰、一个三重峰和一个四重峰分别对应着咪唑环上3位甲基、丁酸乙酯基3位和6位两个亚甲基中的氢原子。另外，化学位移为2.14、1.95、0.93的一个三重峰、一个多重峰和一个三重峰分别代表了丁酸乙酯基中1位亚甲基、2位亚甲基和7位甲基中的氢原子。

以上红外吸收光谱和核磁共振波谱的结果表明，图谱中所有峰的位置、形状和数量与两种酯基离子液体的分子结构较为吻合，同时未发现明显的杂质。所以，制备得到的酯基离子液体具有较高的纯度，为后续的相关研究奠定了良好的基础。

3 结论

本文从功能化离子液体的研究现状出发，合成了两种典型的酯基离子液体，包括1-乙酸乙酯基-3-甲基咪唑氯盐、1-丁酸乙酯基-3-甲基咪唑溴盐。同时，采用红外吸收光谱和核磁共振波谱对其结构进行了系统的测试和表征。结果证明，相关数据与离子液体的化学成分、化学键类型、分子空间结构基本符合，产物的纯度较高。上述工作取得了较好的研究效果，进一步揭示了体系的构效关系，将有助于酯基离子液体的应用和发展。