تعریف مایعات یونی

مایعات یونی ترکیباتی هستند که دارای دو جزء اصلی کاتیون و آنیون حجیم بوده و اغلب به صورت مذاب بوده و در برخی از مواد به صورت جامد نیز میتواند وجود داشته باشد. این ترکیبات که در دمای اتاق به حالت مایع باشند، مایعات یونی مایع (در دمای اتاق) گویند.

اهمیت استفاده از مایعات یونی

استفاده گسترده از حلالهای خطرناک، سمی و فرار در صنایع، مخصوصا صنایع دارویی و شیمیایی منجر به آسیبدیدگی و زیان به محیط زیست میشود، لذا یافتن جایگزین مناسبی برای این حلالها که از نظر زیست محیطی بیضرر (دوستدار محیط زیست) بوده و در عین حال خواص حلالهای متداول را داشته باشند، به شدت در صنایع مختلف دارویی و شیمیایی حس میشود. از جمله حلالهای جدیدی که به عنوان حلال و یا کاتالیست سبز شناخته میشوند، دی اکسید کربن فوق بحرانی و مایعات یونی را میتوان نام برد. مهمترین مزیت مایعات یونی (مایعات یونی که در دمای زیر 100 درجه سلسیوس مایع هستند) این است که فشار بخار ناچیزی داشته، غیر فرار بوده و مشکلی برای محیط زیست ایجاد نمیکنند. مایعات یونی در چند سالهای اخیر انقلابی در مراکز تحقیقاتی و صنایع شیمیایی به پا کرده اند. این ترکیبات که جزء مواد شیمیایی سبز بشمار میآیند، به عنوان حلال نقش بسیار مهمی در کاهش استفاده از ترکیبات خطرناک، سمی و آسیب زننده به محیط زیست را ایفا میکنند. یکی از دلایلی که امروزه تحقیقات درباره مایعات یونی را افزایش داده، یافتن یک جایگزین مناسب برای حلالهای آلی فرار خطرناک و سمی میباشد. حلالهای آلی فرار مهمترین منبع ایجاد آلودگی زیست-محیطی در صنایع شیمیایی و دارویی میباشند. البته این بدین معنی نمیباشد که مایعات یونی تماما جزء حلالهای سبز محسوب میشوند، حتی بعضی از آنها شدیدا سمی هستند و اغلب سعی میشود که از مایعات یونی بی ضرر استفاده گردد. انواع مختلفی از مایعات یونی وجود دارند که میتوان از جمله آنها مایعات یونی Room temperature، مایعات یونی کایرال، مایعات یونی آبگریز و غیره را نام برد. از بین موارد ذکر شده RTIL ها کاربرد بسیار گستردهای در شیمی دارند.

ساختار مایعات یونی

ساختار مولکولی مایعات یونی متشکل از کاتیونها و آنیونهای مختلف است. معمولا نقش کاتیون را یک ترکیب آلی حجیم (با بار مثبت) بازی میکند اما در بسیاری از موارد آنیونها از لحاظ اندازه کوچکتر از کاتیونها بوده و ساختار آنها معدنی است. به دلیل تفاوت اندازه بین آنیونها و کاتیون، پیوند میان دو جزءتشکیل دهنده مایعات یونی ضعیف بوده و این ترکیبات در دمای زیر 100 درجه سانتیگراد به صورت مایع وجود دارند. در یک قیاس ساختاری، ساختار مایعات یونی مانند ساختار نمک طعام بوده (از نظر نوع یونها و ماهیت بارها)  ولی نمک طعام به علت پیوند قوی بین کاتیون و آنیون آن (شباهت بالای آنیون و کاتیون از نظر اندازه، بار و ماهیت) ساختار بلورین مستحکم دارد و در دمای 800 درجه سانتیگراد به صورت مذاب در میآید.

تقسیمبندی مایعات یونی

مایعات یونی بر حسب حالت فیزیکی، نوع کاتیون و نوع آنیون تقسیمبندی میشوند.

مایعات یونی از نظر حالت فیزیکی

برای دسته بندی مایعات یونی دمای 100 درجه سانتیگراد در نظر گرفته شده است. به آن دسته از مایعات یونی که در دمایی بالاتر از 100 درجه سانتیگراد مایع هستند، ترکیبات یونی به حالت مایع و آن دستهای که در پایینتر از این دما حالت مایع دارند، مایعات یونی Room temperature میگویند. در جدول زیر نام و ساختار برخی مایعات یونی متداول نشان داده شده است.

جدول-نام و ساختار برخی مایعات یونی متداول

نام مختصر	نام آیوپاک	ساختار	مایع یونی
[Bmim][BF4]	3-butyl-1-methyl-1H-imidazol-3-ium tetrafluoroborate		1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate
[Bmim][TFO]	3-butyl-1-methyl-1H-imidazol-3-ium trifluoromethanesulfate		1-Butyl-3-methylimidazolium triflate
[Bmim][methanide]	3-Buthyl methyl imidazol-3-ium tri(trifluoromethylsulfonyl) methanide		1-Butyl-3-methylimidazolium methide 1-Butyl-3-methylimidazolium methide
[Bmim][DCA]	3-Buthyl methyl imidazol-3-ium           dicyano amin		1-Butyl-3-methylimidazolium dicyan amide
[Bmim][Tf2N]	3-butyl-1-methyl-1H-imidazol-3-ium bis(trifluoromethyl sulfonyl)amide		1-Butyl-3-methylimidazolium (trifluoromethylsulfonyl) amide
[Hmim][Tf2N]	3-hexyl-1-methyl-1H-imidazol-3-ium bis(trifluoromethylsulfonyl)amide		1-Hexyl-3-methylimidazolium tri(fluoromethylsulfonyl)amide
[Omim][Tf2N]	3-octyl-1-methyl-1H-imidazol-3-ium bis(trifluoromethylsulfonyl) amide		1-Octyl3-methylimidazolium (trifluoromethylsulfonyl)amide
[Hmim][Tf2N]	3-hexyl-1,2-dimethyl-1H-imidazol-3-ium bis(trifluoromethylsulfonyl)amide		2,3-Dimthyl-1-Hexyl-imidazolium (trifluoromethylsulfonyl)amide

تقسیمبندی مایعات یونی از نظر نوع کاتیون

مایعات یونی از نظر نوع کاتیون به پنج دسته تقسیم میشوند. دسته اول کاتیونهایی که دارای حلقه هتروسیکل پنج عضوی مانند ایمیدازولیوم، پیرازولیوم، اوکسازولیوم، تریازولیوم، تیازولیوم و متیمازولیوم میباشند.

شکل -کاتیونهای هتروسیکل دارای حلقه پنج عضوی

دسته دوم، کاتیونیهایی که دارای حلقه شش عضوی و کاتیونهای دارای حلقه بنزن جوش خورده شده، شامل پیریدینیوم، بنزوتریآزولیوم، ایزوکینولیوم و ویولوژن میباشند. تمامی این مایعات یونی در دمای اتاق مایع هستند.

شکل-مایعات یونی دارای کاتیون با حلقههای شش عضوی و حلقه بنزن جوشخورده

دسته سوم کاتیونهای از نوع تری آلکیل آمونیوم که معمولا در دمای اتاق مایع هستند شامل کاتیونهای آمونیوم، فسفونیوم و سولفونیوم میباشند (شکل 1-3‑3).

شکل -مایعات یونی دارای کاتیون از نوع آمونیوم، فسفونیوم و سولفونیوم

دسته چهارم، کاتیونهای دارای حلقه متیل ایمیدازولیوم عاملدار شده بوده که این گروه عاملی با پیوند کووالانسی به دو اتم نیتروژن موجود در حلقه ایمیدازول به کاتیون و یا آنیون مایعیونی متصل میشود. قطعا چنین برهمکنشی میتواند کاربرد مایعات یونی را گسترش دهد.

شکل-مایعات یونی بر پایه ایمیدازول با اتم نیتروژن عاملدار شده

تقسیمبندی مایعات یونی از نظر نوع آنیون

آنیونهای موجود در ساختار مایعات یونی مایع در دمای اتاق، معمولا بازهای آلی و معدنی ضعیفی هستند که دارای بار منفی پخش شدهای هستند. بر اساس نوع آنیون، مایعات یونی به شش دسته تقسیم بندی میشوند:

· مایعات یونی شامل نمکهای آلی و AlCl₃

· مایعات یونی شامل آنیونهایی مانند PF₆^-، BF₄^-، SbF₆^-

· مایعات یونی شامل آنیونهای گوگرددار مانند بیس(تری فلوئورو متان سولفونیل) آمید، بیس (پر فلورو اتیل سولفونیل) آمید، 2و2و2-تری فلورو-N-(تری فلورو متان سولفونیل) استامید و تریس (تری فلوئورو متان سولفونیل) متانید.

شکل -ساختار آنیونهای گوگرددار

· مایعات یونی شامل آنیونهایی مانند آلکیل سولفات، آلکیل سولفونات، آلکیل فسفات، آلکیل فسفینات و آلکیل فسفونات.

شکل -ساختار آنیونهای بر پایه اتم مرکزی فسفر و گوگرد

· آنیونهایی مانند مسیلات (CH₃SO₃⁻)، توسیلات (CH₃PhSO₃⁻)، تری فلورو استات (CF₃CO₂⁻)، استات (CH₃CO₂⁻)، تیوسیانات (SCN⁻)، تریفلات (CF₃SO₃^-) و دی سیانآمید [(N(CN) ₂⁻ ].

· مایعات یونی شامل آنیونهایی مانند بوراتها و کربورانها.

شکل -آنیونهای بورات و کربوران

مزایا و خصوصیات مایعات یونی

مهمترین مزایای مایعات یونی شامل موارد زیر است.

این ترکیبات فشار بخار ناچیزی دارند. در نتیجه بر خلاف حلالهای آلی معمول موادی غیر فرار هستند و غالبآ مشکلی برای محیط زیست ایجاد نمیکنند.

· تعداد مایعات یونی که امروزه میتوان ساخت مشتمل بر 706 عدد است (تنوع بسیار بالا و خصوصیات متفاوت)، در حالی که تعداد کل حلالهای مولکولی از 600 عدد تجاوز نمیکند.

· رسانایی مایعات یونی بسیار بیشتر از سایر ترکیبات آلی بوده (کاربردهای الکترونیکی و الکتروشیمیایی) و آنزیمهای مختلف در آنها به راحتی محلول هستند (کاربردهای بیوتکنولوژی).

· این مواد قادر به تشکیل یک سیستم دوفازی مناسب برای جداسازی هستند. در واکنشهای دوفازی پس از اتمام واکنش با دوفاز شدن مخلوط واکنش، فاز آلی و فاز آبی حاوی مایعیونی (که معمولا در نقش کاتالیست یا بستر کاتالیزور عمل میکند) از هم جدا شده و عمل جداسازی با سهولت و با بازده بالا انجام میشود.

· به راحتی تشکیل پلیمر و ژل داده و انواع مختلفی واکنشهای آلی و معدنی در آنها انجامپذیر است.

· مایعات یونی قادر هستند ترکیبات مختلف اعم از نمکها، چربیها، پروتئینها، آمینواسیدها، قندها و پلی ساکاریدها را در خود حل کنند. همچنین مولکولهای آلی مانند نفت خام، جوهرها، پلاستیکها و حتی DNA به راحتی در مایعات یونی مختلف محلول هستند.

· میتوان با تغییر کاتیون یا آنیون، مایعات یونی ساخت که خواص فیزیکی تشدید شده مثل حلالیت، ویسکوزیته و غیره نسبت به مایعات یونی متداول داشته باشد.

· با انتخاب کاتیون یا آنیون خاص میتوان کاربری مایعات یونی تهیه شده برای کاتالیز کردن یک واکنش یا استخراج گونههای فلزی را اختصاصی کرد. اینگونه ترکیبات را مایعات یونی با کاربری خاص میگوین.

در  جدول زیرویژگیهای فیزیکی برخی مایعات یونی متداول ذکر شده است.

جدول -نام و ویژگی برخی از مایعات یونی و ترکیبات یونی متداول

ترکیب یونی	نام کاتیون	نقطه ذوب (Ċ)	دانسیته (Ċ25)	ویسکوزیته (Ċ 25) (cP)	حلالیت در آب
Mmim NTfO2	1,3-Dimethyl imidazolium	22	559/1	44	-
Emim NTfO2	1-Ethyl-3-methyl imidazolium	17-	52/1	18	-
EEIM NTfO2	1,3-Diethyl imidazolium	14	452/1	35	نامحلول
EM2MIM NTfO2	1-Ethyl-2,3-dimethyl imidazolium	20	459/1	88	نامحلول
EMM5IM NTfO2	1-Ethyl-3,5-dimethyl imidazolium	139	47/1	37	-
MPPyr NTfO2	Methylpropyl pyridinium	0	44/1	39	-
BMIM NTfO2	1-Butyl-3-methyl imidazolium	4-	429/1	80	نامحلول
EEMIM NTfO2	1,3-Diethyl-2-methyl imidazolium	22-	432/1	36	نامحلول
MM2PMIM NTfO2	1,2-Dimethyl-3-propyl imidazolium	15	46/1	41	نامحلول
BMPyrrol NTfO2	N-Butyl-N-methyl pyrrolidinium	50-	4/1	71	نامحلول
BEIM NTfO2	1-Butyl-3-ethyl imidazolium	8-	404/1	48	نامحلول
(C6)4N NTfO2	Tetrahexyl ammonium	7-	11/1	435	-
(C5)4N NTfO2	Tetrapentyl ammonium	2/25	16/1	430	نامحلول
MTOA NTfO2	Methyl trioctylammonium	50-	1/1	800	نامحلول
(C7)4N NTfO2	Tetraheptyl ammonium	2/11	1/1	453	نامحلول
EMIM DCA	1-Ethyl-3-methyl imidazolium	21-	06/1	21	-
BMIM DCA	1-Butyl-3-methyl imidazolium	6-	06/1	37	محلول
BMPyrrol DCA	N-Butyl-N-methyl pyrrolidinium	55-	93/0	50	-
C6(C2)3N DCA	Triethylhexyl ammonium	43-	-	-	-
EMIM BF4	1-Ethyl-3-methyl imidazolium	6	248/1	66	-
BMIM BF4	1-Butyl-3-methyl imidazolium	82-	208/1	233	-
BMMIM BF4	1-Butyl-2,3-dimethyl imidazolium	37	2/1	780	محلول
HMIM BF4	1-Hexyl-3-methyl imidazolium	82-	208/1	310	کم محلول
OMIM BF4	1-Octyl-3-methyl imidazolium		79-	11/1	440
DMIM BF4	1-Decyl-3-methyl imidazolium	25-	072/1	930	کم محلول
Na BF4	Sodium	384	-	-	محلول
BMIM PF6	1-Butyl-3-methyl imidazolium	10	373/1	400	18 گرم بر لیتر
HMIM PF6	1-Hexyl-3-methyl imidazolium	61-	304/1	800	نا محلول
OMIM PF6	1-Octyl-3-methyl imidazolium	40-	2/1	810	نا محلول
K PF6	Potassium	575	-	-	90 گرم بر لیتر
EMIM Cl	1-Ethyl-3-methyl imidazolium	89	12/1-جامد	-	محلول
HMIM Cl	1-Hexyl-3-methyl imidazolium	75-	05/1	7500	محلول
OMIM Cl	1-Octyl-3-methyl imidazolium	0	1	16000	محلول
(C7)4N Cl	Tetraheptyl ammonium	9-	882/0	598	محلول
BMIM Cl	1-Butyl-3-methyl imidazolium	65	10/1	جامد	محلول
BMIM Br	1-Butyl-3-methyl imidazolium	-	-	-	محلول
Na F	Sodium	993	56/2	-	محلول
BMIM I	1-Butyl-3-methyl imidazolium	72-	-	1110	-
Na Cl	Sodium	801	16/2	-	محلول
Na Br	Sodium	747	17/2	-	محلول
Na I	Sodium	661	66/3	-	محلول
EMIM TfO	1-Ethyl-3-methyl imidazolium	9-	39/1	45	محلول
EEIM TfO	1,3-Diethyl imidazolium	23	33/1	53	محلول
BMIM TfO	1-Butyl-3-methyl imidazolium	16	29/1	90	محلول
BEIM TfO	1-Butyl-3-ethyl imidazolium	2	18/1	90	محلول
HMIM TfO	1-Hexyl-3-methyl imidazolium	29	20/1	160	نامحلول
EMIM PFES	1-Ethyl-3-methyl imidazolium	65-	24/1	99	محلول
BMIM PFBS	1-Butyl-3-methyl imidazolium	20	473/1	373	-
BEIM PFBS	1-Butyl-3-ethyl imidazolium	21	427/1	320	-
EMIM Act	1-Ethyl-3-methyl imidazolium	20-	03/1	91	محلول
PA F	Propyl ammonium	10-	979/0	18	محلول
BA F	Butyl ammonium	10-	973/0	2/22	محلول
EA F	Ethyl ammonium	10-	990/0	5/11	محلول
BMIM Act	1-Butyl-3-methyl imidazolium	20-	06/1	5/52	محلول
EMIM TFAct	1-Ethyl-3-methyl imidazolium	14-	285/1	35	-
BA SCN	Butylammonium	5/20	949/0	97	محلول
secBA SCN	Sec-butylammonium	5/22	013/1	196	محلول
DPA SCN	Dipropylammonium	5/5	964/0	86	محلول
EMIM SCN	1-Ethyl-3-methyl imidazolium	6-	-	-	-
EA NO3	Ethylammonium	5/12	122/1	32	محلول
PA NO3	Propylammonium	4	157/1	67	محلول
TBA NO3	Tributylammonium	5/21	918/0	640	محلول
EMIM MS	1-Ethyl-3-methyl imidazolium methylsulfate	5	24/1	80	محلول
BMIM MS	1-Butyl-3-methyl imidazolium	20-	2/1	180	محلول
(C6)4N Bzt	Tetrahexylammonium	50-	938/0	895	نامحلول
EMIM AlCl4	1-Ethyl-3-methyl imidazolium methylsulfate	9	3/1	20	تفکیک
BMIM AlCl4	1-Butyl-3-methyl imidazolium methyl sulfate	10-	24/1	26	تفکیک
TfO = Trifluoromethyl sulfate; PFES = Perfluoroethyl sulfate; PFBS = Perfluorobutyl sulfate; TFAct = Trifluoroacetate or trifluoro ethanoate anion

مزایای مایعات یونی نسبت به حلالهای آلی مضر و خطرناک

ازجمله مزایای مایعات یونی نسبت به حلالهای معمول مثل حلالهای کلردار و یا آروماتیک میتوان به موارد زیر اشاره کرد

· مایعات یونی قادر به حلکردن گستره وسیعی از ترکیبات آلی، معدنی و آلی-فلزی هستند.

· به شدت قطبی هستند.

o فشار بخار ناچیز دارند و غیر فرار هستند.

o در مقابل حرارت تا دمای 300 درجه سانتیگراد عموما پایدار و مقاوم هستند.

o معمولا در گستره وسیعی از دما یعنی تا 200 درجه سانتیگراد به صورت مایع روان هستند.

o هدایت الکتریکی این ترکیبات بسیار بالا است.

o این ترکیبات با بسیاری از حلالهای معمول آلی غیر قابل امتزاج هستند.

o با تغییر آنیون موجود در ساختار مایعیونی میتوان خصلت قطبی بودن آن را تشدید و یا تضعیف کرد.

مقایسه مایعات یونی با کاربری حلال نسبت به سایر حلالهای سبز

تلاشهای زیادی برای یافتن جایگزین مناسبی نسبت به حلالهای فرار انجام شده است. حلالهای سبز اشاره شده در زیر برای این منظور مناسب تشخیص داده شدهاند.

· دی اکسید کربن فوق بحرانی

· حلالهای فلوئور دار

· مایعات یونی

گاز  CO₂را در دما و فشار فوق بحرانی قرار میدهند به نحوی که این گاز به صورت مایع در آید و اکنون دارای خواص گاز و مایع (هر دو) است. دمای بحرانی گاز دی اکسید کربن 31 درجه سانتیگراد و فشار فوق بحرانی آن 74 بار است. دی اکسید کربن فوق بحرانی یک حلال سبز است ولی دو مشکل عمده دارد اول اینکه برای استفاده از این حلال نیاز به تجهیزات خاصی جهت اعمال فشار فوق بحرانی است، دوم اینکه گستره حلالیت ترکیبات مختلف در این حلال بسیار محدود است. حلالهای فلوئوردار دسته دیگری از حلالهای جایگزین هستند که مشکلات این حلالها گران قیمت بودن آنها میباشد و در اثر حرارت مواد سمی متصاعد میکنند. مایعات یونی دسته ترکیباتی هستند که امروزه به عنوان بهترین جایگزین برای حلالهای فرار معرفی شدهاند. مایعات یونی علاوه بر سبز بودن قادرند که گستره وسیعی از ترکیبات آلی، معدنی، ترکیبات آلی-فلزی، مولکولهای حیاتی و یونهای فلزی را در خود حل کنند. بدلیل ساختار یونی، این ترکیبات شدیدا قطبی بوده و از این رو با بسیاری از حلالهای آلی غیرقابل امتزاج هستند (حلالهای آلی معمولا غیرقطبی بوده یا قطبیت پایینی دارند و معمولا با فاز آبی مخلوط نمیشوند). با افزایش طول زنجیره آلکیلی متصل به کاتیون میتوان مایعات یونی غیر قابل امتزاجی با آب ساخت و این مایعات یونی را به عنوان فاز آلی بکار برد.

بررسی میزان خلوص مایعات یونی

ویژگیهای فیزیکی و شیمیایی مایعات یونی میتواند با حضور ناخالصیها تغییر پیدا کند. بنابراین خالصسازی مایعات یونی ضروری است. مهمترین آلایندههای مایعات یونی آنیونهای هالیدی یا بنیانهای آلی و آبی هستند که معمولا از مواد واکنش نداده (پیش مادههای سنتز مایعیونی که تا آخر تغییر نیافته باقی ماندهاند) به وجود میآیند. مایعات یونی تمایل زیادی به جذب رطوبت دارند به طوری که مایعات یونی آبگریز هم جاذب رطوبت هستند. به طور کلی مایعات یونی با حرارت دادن تحت خلاء خشک میشوند ولی خروج کامل آب (به دلیل ایجاد پیوند محکم هیدروژنی) مشکل است. حضور آب باعث کاهش در چگالی و ویسکوزیته شده و خواص شیمیایی را تعدیل میکند.

نسلهای مختلف مایعات یونی

نسل اول مایعات یونی، ترکیباتی هستند که کاربرد وسیعی به عنوان حلال دارند. این ترکیبات خواص فیزیکی منحصر به فردی دارند که با تغییر کاتیون یا آنیون آنها میتوان این خواص را تقویت کرد.

نسل دوم، با رشد روزافزون این ترکیبات دستهای از مایعات یونی طراحی شدند که به عنوان مایعات یونی با کاربری خاص شیمیایی شناخته میشوند. این ترکیبات دارای یک یا چند گروه عاملی خاص بر روی کاتیون هستند که امکان برهمکنش و ایفای نقش شیمیایی خاص را دارند. به عنوان مثال به عنوان روانساز و لیگاندهای کمپلکسساز استفاده میشوند. این ترکیبات علاوه بر خواص فیزیکی ذکر شده کارآیی شیمیایی نیز دارند که به عنوان نسل دوم مایعات یونی شناخته میشوند.

نسل سوم، بعضی ترکیبات فعال دارویی، ساختاری مانند ساختار مایعات یونی کلاسیک دارند و از لحاظ بیولوژیکی فعال بوده و سمیت آنها مورد بررسی قرار گرفته است. با استفاده از این ترکیبات دارویی، نسل جدید مایعات یونی به عنوان نسل سوم اخیرا معرفی شده است. این ترکیبات سمیت بسیار کمی دارند و خواص فیزیکی مایعات یونی را نیز دارا میباشند. یعنی میتوان از این دسته مایعات یونی به عنوان دارو استفاده کرد.

نسل اول مایعات یونی

برخی از مایعات یونی نسل اول به همراه کاتیون و آنیونهای سازنده آنها در شکل نشان داده شده و دارای ویژگیهایی مانند نقطه ذوب، چگالی، گرانروی، پایداری گرمایی، رسانایی، آب دوستی و آبگریزی قابل ملاحظهای هستند.

شکل -برخی از کاتیونها و آنیونهای مایعات یونی نوع نسل اول

با توجه به شکل زیر، در جدول زیر نام آنیونها و کاتیونهای مایعات یونی نسل اول آورده شده است.

جدول -نام کاتیونها و آنیونهای مایعات یونی نسل اول

شماره ترکیب	نام گونه	شماره ترکیب	نام گونه
a	Tetra alkyl ammonium	g
b	Tetra alkyl phosphonium	h
c	Buthyl methyl imidazolium	i	Di cyano amin
d	Alkyl methyl prirrolidinium	j
e	Ethyl hydroxyl piridinium	k
f	Ethyl methyl imidazolium	L	Chloride

ساختار برخی از مایعات یونی نسل اول بر حسب ویژگیهای خاص خود در شکل نشان داده شده است.

شکل -برخی از مایعات یونی نسل اول به همراه ویژگی و کاربری خاص  (a)-دارای خصلت آبگریزی و نقطه ذوب پایین، (b)- دارای ویسکوزیته کم و آبگریز بودن، (c)- دارای خصلت آّبدوستی بالا و پایداری بالای گرمایی.

نسل دوم مایعات یونی

مایعات یونی نسل دوم دارای خصوصیاتی همچون فعالیت شیمیایی، دانسیته انرژی بالا، فعالیت الکتروشیمیایی، اشتعالپذیر، خاصیت کئوردینه شدن، حلالپوشی و خاصیت کایرالیته هستند. برخی از کاتیونهای سازنده این مایعات یونی در شکل زیر نشان داده شده است. در جدول زیر نام آنیونها و کاتیونهای مایعات یونی نسل دوم آورده شده است.

شکل -برخی از کاتیونهای مایعات یونی نسل دوم

جدول -نام کاتیونها و آنیونهای مایعات یونی نسل دوم

شماره ترکیب	نام مایع یونی
a
b
c
d
e
f

در شکل زیر برخی از مایعات یونی نسل دوم به همراه ویژگی مشخصه خود نشان داده شده است.

شکل-برخی از مایعات یونی نسل دوم به همراه ویژگی و کاربری خاص (a)-دارای تعادل اکسیژن مناسب و دانسیته انرژی بالا، (b)-دارای دانسیته پایین و قدرت حلال پوشی مناسب، (c)-دارای فعالیت کایرالیته و خصلت آبگریزی بالا.

نسل سوم مایعات یونی

مایعات یونی نسل سوم دارای خصوصیات بیولوژیکی، فعالیت ضد باکتریایی، به عنوان داروی بیهوشی موضعی، داروی رفع اختلالات اعصاب و ضد قارچ کاربرد دارند. کاتیون برخی از مایعات یونی نسل سوم در شکل  زیر نشان داده شده است.

شکل -ساختار برخی از کاتیونهای مایعات یونی نسل سوم

با توجه به شکل زیر در جدول نام آنیونها و کاتیونهای مایعات یونی نسل سوم آورده شده است.

جدول نام کاتیونها و آنیونهای مایعات یونی نسل سوم

شماره ترکیب	نام مایع یونی
a
b
c
d
e

مایعات یونی نسل سوم بر حسب خصوصیات و ویژگیهای خود دارای فعالیت بیولوژیکی، به عنوان نرم کننده پوست، داروی ضدجوش، داروی ضداشتعال و ویتامینها کاربرد دارند. برخی از این مایعات یونی نسل سوم به همراه ویژگیهای مشخصه خود در شکل زیر نشان داده شده است.

شکل -برخی از مایعات یونی نسل سوم به همراه ویژگیها و کاربردهای خاص (a)-به عنوان نرم کننده و بی حس کننده موضعی، (b)-دارای خاصیت ضد باکتریال و محدود کننده فرابنفش، (c)-دارای خاصیت ضد جوش و ضد باکتریال.

کاربردهای مایعات یونی

مایعات یونی کاربردهای مختلف و متنوعی دارند که علاوه بر نقش حلال در جداسازی، به عنوان بستر کاتالیستی و بستر مناسبی در سنتز مواد نانو نیز نقش موثری دارند.

نقش کاتالیستی مایعات یونی

اولین بار حدود 20 سال پیش مایعات یونی به عنوان کاتالیست در واکنش آسیلاسیون فریدیل کرافتس استفاده شد. مایعات یونی به عنوان یک کاتالیست دوفازی یا بستری برای تثبیت کاتالیستهای دیگر استفاده میشوند. در حضور مایعات یونی امکان استفاده مجدد از کاتالیست وجود دارد. نانوکاتالیستهای فلزی مانند طلا، پلاتین، پالادیم، رودیم و روتنیم کاربرد گستردهای در واکنشهای آلی دارند. مشکل نانوکاتالیست این است که در محیطهای واکنش به هم متصل شده و به صورت کلوخهای در میآیند و فعالیت آنها به شدت کاهش مییابد. برای جلوگیری از این مورد، مایعات یونی مختلفی استفاده میشود. به عنوان مثال نانوکاتالیست رودیم در مایعات یونی در واکنش هیدروژندار کردن آلکنها و آرنها فعالیت بیشتری از خود نشان میدهند .

مایعات یونی به عنوان حلال

همانطور که ذکر شد کاربرد عمده مایعات یونی به عنوان حلال است. از مهمترین مزایای استفاده از مایعات یونی افزایش سرعت واکنشها، سبز بودن و بهبود بخشیدن گزینشپذیری نسبت به حلالهای سمی دیگر است.

مایعات یونی در الکتروشیمی

بیشتر از 20 سال قبل اولین بار نمکهای مذاب و مایعات یونی توسط الکتروشیمیدانها برای استفاده در منابع قدرت به کار برده شدند. برخی از مایعات یونی بهترین نمونه برای دستگاههای الکتروشیمیایی مانند ذخیره کنندههای قدرت، پیلهای سوختی، سلولهای فوتوولتایی و آبکاری الکتریکی بودند. این به دلیل پایداری بسیار بالای الکتروشیمیایی، رسانایی بالا و محدوده عملکرد دمایی وسیع است. نیاز به باتریهایی با قدرت بالا برای کاربردهای مختلف (پرتابلهای الکترونیکی، ترموبیلهای الکتریکی، گوشی تلفن همراه و غیره) باعث جستجو برای یافتن محلولهای الکترولیتی غیر آبی بیشتر شد. رقابت برای بدست آوردن باتریهای قابل شارژ یون لیتیم باعث شناسایی الکترولیتهای با قدرت رسانایی بالا شد که از لحاظ الکتروشیمیایی پایدار بوده و ظرفیت زیادی برای استفاده مجدد داشتند. مایعات یونی به نظر میرسد که الکترولیتهای خوبی برای باتریهای قابل شارژیون لیتیم میباشند. گستره وسیع پتانسیل الکتروشیمیایی آنها مانع احیاء یا اکسیدشدن الکترود میشود. این گستره برای مایعات یونی بیش از 5/4 ولت و برای الکترولیتهای آبی 2/1 ولت است. علاوه بر این مایعات یونی، پایداری حرارتی بیشتر، رسانایی بالاتر و حلالیت بیشتری نسبت به الکترولیتهای معمول دارند. به عنوان مثال رسانایی آنها در باتریهای لیتیم 5 برابر بیشتر از نمکهای لیتیم در حلال غیر آبی است.

مایعات یونی در استخراج مایع-مایع

یکی از عمومیترین روشهایی که برای جداسازی استفاده میشود، استخراج مایع-مایع است. این روش در صنعت کاربرد زیادی داشته و از نظر صرفه انرژی مناسب است. در این روش از دو فاز غیر قابل امتزاج یعنی فاز آلی و آبی استفاده میشود. اکثر حلالهای مورد استفاده برای فاز آلی مانند کلروفرم، از دسته حلالهای فرار میباشند. مایعات یونی آبگریز جایگزین مناسبی به عنوان فاز آلی هستند. مایعات یونی عمدتا در استخراج یونهای فلزی ارزشمند مانند طلا، لانتانیدها و اکتنیدها یا یونهای فلزی سمی در آب آشامیدنی مانند جیوه و کادمیم مورد استفاده میباشد. در جدول لیستی از مایعات یونی مورد استفاده در فرایند استخراج یونهای فلزی نشان داده شده است.

جدول مایعات یونی مختلف با کاربری حلال در فرآیند استخراج یونهای فلزی

لیگاند/کیلیت دهنده فلز	مایع یونی	آنالیت مورد اندازهگیری
DC18C6 18C6, DC18C6, Dtb18C6 BOBCalixC6 DC18C6, N-alkyl, aza-18-crown-6 ethers	[Cnmim][PF6] (n=4-9) [Cnmim][PF6] (n=4,6,8) [Cnmim][Tf2N] (n=2,3,4,6,8) [Cnmim][Tf2N] (n=2,4,6,8)	Li^+, Na^+, K^+, Rb^+, Cs^+ Na^+, Cs^+ Cs^+ Na^+, K^+, Cs^+
DC18C6 18C6, DC18C6, Dtb18C6 BOBCalixC6 DC18C6, N-alkyl, aza-18-crown-6 ethers	[Cnmim][PF6] (n=4-9) [Cnmim][PF6] (n=4,6,8) R1R2Meim][PF6], R1R2Meim][Tf2N] [Cnmim][Tf2N] (n=2,4,6,8)	Mg^2+, Ca^2+, Sr^2+, Ba^2+ Sr^2+ Sr^2+ Sr^2+
DC18C6 Dithizone PAN, TAN Calyx[4]arene-beaing pyridine None None CMPO Dtb18C 6, CMPO, TBP N/a	[Cnmim][PF6] (n=4-9) [Cnmim][PF6] [C4mim][PF6], [C6mim][PF6] [Cnmim][PF6] (n=4, 6, 8) [Cnmim][BF4] (n=1, 3, 6, 8, 10), [Cnmim][PF6] (n=6-10) TSILs [C4mim][PF6] [C4mim][PF6], [C4mim][NO3], [C4mim][Tf2N], [C6mim][PF6] [C8mim][PF6]	Pb^2+ Cu^2+, Ag^+, Pb^2+, Zn^2+, Cd^2+, Hg^2+ Cd^2+, Co^2+, Ni^2+, Fe^3+, Hg^2+ Ag^+ Cu^2+, Cr^6+, Zn^2+ Hg^2+, Cd^2+ Lanthanides (Nd^3+, La^3+, Er^3+, Ce^3+, Sm^3+, Eu^3+, Gd^3+, Ho^3+ Actinides (Th^4+, U^2+, Pu^4+) Al^3+
Cnmim=1-alkil-3-methylimidazolium; DC18C6=Dicycloheano-18-crown-6; 18CC6=18-crown-6; Dtb 18C6=4,4’-(5)-di-(tert-butylcyclohexano)-18-crown-6; BOBCalixC6=calix[4]arene-bis(tert-octylbenzo-crown-6); Tf2N=bis(triflouromethyl)solfonyl]amide; R1R2Memim=1-R1-2R2-3-methylimidazolium (R1-Bu, Et, or Pr, R2=H, or Me); PAN=1-(2-pyridylazo)-2-naphthol; TAN=1-(2-thiazolylazo)-2-naphtol; CMPO=Octyl(phenyl)-N,N-diisobutylcarbamoylmethyl phosphine oxide; TBP=tri-n-butyl phosphate

سنتز نانوذرات به کمک مایعات یونی

مایعات یونی سبز در تهیه نانو ذرات به عنوان محیط واکنش، تثبیت کننده، واکنشگر کاهنده و غیره استفاده میشوند. مایعات یونی این قابلیت را دارا میباشند که بتوانند تمام این ویژگیها را به طور همزمان داشته باشند. استفاده از مایعات یونی به عنوان محیط واکنش برای تهیه نانوذرات معدنی تاکنون به طور عمده به خاطر قطبیت بالای مایعات یونی بوده است. در سالهای اخیر مایعات یونی به عنوان محیط مناسب برای تهیه نانو ذرات شناخته شدهاند. اگرچه تهیه نانوذرات در مایعات یونی هنوز در مرحله ابتدایی بوده ولی نتایج بسیار خوبی با استفاده از این ترکیبات به دست آمده که حاکی از استفاده از این ترکیبات برای تهیه نانو ذرات میباشد. مایعات یونی دارای خواص منحصر به فردی میباشند که آنها را جهت استفاده به عنوان محیط واکنش برای سنتز نانوذرات مناسب کرده است. کشش سطحی پایین به عنوان خصوصیت بسیاری از مایعات یونی سبب میشود تا سرعت هستهزایی افزایش یافته که این باعث ایجاد ذرات با اندازه کوچکتر میشود. همچنین مایعات یونی میتوانند به عنوان گونه دهنده الکترون و هم تثبیت کننده فضایی، رشد نانو ذرات را به تنهایی کاهش دهند. استفاده از مایعات یونی به عنوان محیط واکنش برای تهیه نانوذرات معدنی تاکنون به طور عمده به دلیل خصوصیات منحصر به فردی مانند بار ذاتی بالا، قطبیت بالای مایعات یونی برای ایجاد پایداری فضایی و الکتروستاتیک برای نانو ذرات، انتقال فاز مناسب نانو ذرات از آب به حلالهای غیرقابل امتزاج با استفاده از ساختارهای از پیش طراحی شده و همچنین قابلیت مایعات یونی به عنوان الگو برای تهیه نانو مواد متخلل میباشد. نانو ذرات فلزی مانند ایریدیم (Ir)، رودیم (Rh)، پالادیم (Pd)، پلاتین (Pt) و نانوذرات طلا (Au) از طریق روش کاهشی استاندارد، که در آن از مایعات یونی به عنوان حلال کمکی و تثبیت کننده استفاده میشود، تهیه شدند. همچنین نانو ذرات آلیاژی از طریق تخریب گرمایی در مایعات یونی تهیه میشوند. با این حال در اکثر موارد از مایعات یونی به عنوان حلال کمکی استفاده میشود. در این حالت تغییرات مشخصی در خواص حلال در مقایسه با حلال تنها (مخلوط نشده) مشاهده میشود. همچنین استفاده از مایعات یونی در روند سنتز باعث میشود تا تعداد عوامل موثر بر واکنش کاهش یابد و باعث قابل فهمتر شدن مکانیسم واکنش میگردد. این ویژگی سبب میشود که عوامل تاثیر گذار بر واکنش به خوبی تنظیم شوند و از آنجا که واکنش عاری از هرگونه محصول جانبی میشود، به سمت واکنشهای سبز پیش میرود.

مزایای استفاده از مایعات یونی در سنتز نانو ذرات

· میتوان مایعات یونی را به گونهای طراحی کرد که نمکهای معدنی (به عنوان پیشماده برای سنتز نانو ذرات) را به راحتی در خود حل کنند.

· مایعات یونی را میتوان به گونهای انتخاب کرد که سنتز معدنی با مواد اولیه قطبی/یونی بدون آب (به عنوان یک حلال قطبی) قابل انجام باشد. سنتز در غیاب آب میتواند از تشکیل مواد جانبی نظیر هیدروکسیدها و یا اکسیدهای آبی جلوگیری کند.

· مایعات یونی کشش سطحی پایین دارند که باعث افزایش سرعت تشکیل هستهها میشود. این امر سبب تشکیل نانوذرات با اندازه کوچک میشود.

· مایعات یونی به خاطر وجود کاتیون و آنیون میتوانند یک پوسته الکتروستاتیک در اطراف نانوذرات تشکیل دهند که باعث جلوگیری از انباشتگی نانوذرات میشود. به علاوه نانوذرات با پیوند کئوردینانسی  از طریق کاتیون یا آنیون (پیوند یونی یا کوالانسی) پایدار میشوند. کاتیون یا آنیون با زنجیر آلکیل طولانی باعث پایداری نانوذرات در محلول میشود.

· پراکندگی نیروی کشش سطحی اجزاء موجب افزایش تفاوتهایی بین انرژی سطحی در جهات مختلف بلور میشود. از آنجا که مایعات یونی کشش سطحی پایینی دارند، کنترل مورفولوژی نانوذرات در محیط مایعیونی تضمین میشود.

· مایعات یونی ممکن است به صورت گسترده در حالت مایع پیوند هیدروژنی تشکیل دهند. در این موارد مایعات یونی به عنوان حلالهای ابرمولکولی شناخته میشوند. مایعات یونی میتوانند در سنتز نانوذرات با کنترل مورفولوژی استفاده شوند.

· با تغییر کاتیون و آنیون موجود در مایعیونی میتوان خواص یا خاصیتهای آن را تغییر داد. خواصی همچون آبگریز یا آبدوست بودن مایعات یونی، پیوند هیدروژنی، حلالیت گازها در این مایعات از این دسته است.

· مایعات یونی واکنشگرهای فعالی هستند. برای مثال مایعیونی دارای گروه هیدروکسیل همزمان به عنوان عامل کاهنده، حلال و پایدار کننده نانوذرات استفاده میشوند.

· با توجه به نوع مایعیونی مورد استفاده به عنوان محیط واکنش برای سنتز، نانو مواد سنتزشده میتوانند محلول در آب یا غیر محلول باشند. لذا میتوان با تغییر خصوصیات مایعیونی، خصوصیات آبدوستی یا آبگریزی را به نانوذرات سنتز شده القا نمود.

· فشار بخار پایین و غیر قابل اشتعال بودن این ترکیبات باعث شده که به راحتی بتوان واکنش را در دمای بالا و تحت خلاء انجام داد.

· مایعات یونی حلالهای سبز هستند. این ترکیبات غیرفرار، غیرسمی و غیرخورنده هستند. استفاده از حلال کمکی و مواد جداکننده در محیط مایعات یونی غیرضرورری است و میتوان مایعات یونی را طوری طراحی کرد که تمام این قابلیتها را همزمان داشته باشد.

روشهای سنتز نانوذرات در محیط مایعات یونی

سه روش معروف سنتزی نانوذرات توسط مایعات یونی ذکر شده که از خواص منحصر به فرد این حلال (در مقایسه با حلالهای فرار) در این روشها بهره گرفته شده است. روش اول سنتز مستقیم با استفاده از امواج ریزموج میباشد. خصوصیت یونی و قطبیت بالای مایعات یونی دلیل استفاده از این ترکیبات به عنوان محیط واکنش ریزموج میباشد (قطبیت محیط واکنش جذب انرژی ریزموج را باعث میشود). روش دوم، ترسیب بخار فیزیکی تحت شرایط خلاء بالاست. به علت اینکه مایعات یونی دارای فشار بخار پایین هستند از این ترکیبات به عنوان محیط واکنش در روش اخیر استفاده میشود. روش سوم سونوشیمی  است که یک روش قدرتمند را برای تهیه نانوذرات اکسیدی با استفاده از مایعات یونی فراهم آورده است.

نانوذرات اصلاح شده با مایعات یونی

در سالهای اخیر اصلاح مواد با مایعات یونی از طریق قرار دادن آنها بر روی سطح موادی مانند سیلیکا، پلیمرها و یا با استفاده از سطوح جامد دیگری صورت گرفته است. سطوح اصلاح شده با مایعات یونی در زمینههای مختلف شیمی مانند شیمی آلی، معدنی، الکتروشیمی و شیمی تجزیه کاربرد دارند. مایعات یونی با قطبیت زیادی که دارند محیطهای مناسبی برای نگهداری گونههای کاتالیستی میباشند. کاربرد این مواد در شیمی تجزیه بیشتر در استخراج (استخراج مایع-مایع، ریز استخراج مایع-مایع، ریز استخراج فاز جامد) و جداسازی (کروماتوگرافی مایع، الکتروفورز موئین) میباشد. اصلاح سطح سیلیکا، زئولیت یا آلومینا با مایعات یونی دارای مزیتهای زیادی است. قدرت اسیدی این سطوح به آسانی قابل تنظیم میباشند. همچنین با تغییر اندازه زنجیره جانبی کاتیون میتوان خواص آبگریز و آبدوست بودن این سطوح را نیز تغییر داد. اصلاح سطح با مایعات یونی با روشهای اتصالات کوالانسی، جذب فیزیکی، پلیمریزاسیون و یا سل-ژل انجام میگیرد. وقتی که به عنوان کاتالیست از این مواد استفاده میشود، اصلاح سطح باعث افزایش انتخاب پذیری و واکنش پذیری میگردد. در سالهای اخیر اصلاح سطح نانوسیلیکا از طریق پیوند کوالانسی با مایعات یونی بسیاری صورت گرفته است. هرچند قرار دادن مایعات یونی بر روی سطح باعث میشود که برخی از خواص این ترکیبات همچون گستره مایعبودن  آنها تغییر کند، ولی خواص منحصر به فرد مایعات یونی همچون قطبیت و فشار بخار بسیار پایین با قرارگیری بر روی سطوح حفظ میشود.

روشهای اصلاح سطح به کمک مایعات یونی

اصلاح سطح با مایعات یونی میتواند با استفاده از روشهای مختلفی انجام گیرد که با توجه به برهمکنشهای بین مایعیونی و سطح، دسته بندی میشوند. در شکل این دستهبندی نشان داده شده است. مایعات یونی میتوانند از طریق پیوند کوالانسی بین گروه سیلانول (Si-OH) سطح و آنیون یا کاتیون مایعیونی بر روی سطح نشانده شود. همچنین مایعات یونی بدون پیوند کوالانسی به شکل فاز مایع بر روی سطح قرار داده شده نیز مورد استفاده قرار میگیرند.

شکل -اصلاح سطح با استفاده از مایعات یونی به روشهای مختلف، (1)-برهمکنش بین کاتیون حجیم مایعیونی با آنیون موجود بر روی سطح (الکترواستاتیکی)، (2)-برهمکنش بین مایعیونی با گروههای سیلانول موجود بر روی سطح (کووالانسی)، (3)-برهمکنش بین مایعیونی و سطح (واندروالسی).

اصلاح سطح به کمک مایعات یونی با اتصالات کووالانسی

در این روش اصلاح سطح، مایعیونی توسط پیوند کوالانسی با سطح اتصال برقرار کرده و بر روی آن قرار میگیرد. در شکل  قرار گرفتن ایمیدازول بر روی سطح سیلیکا از طریق پیوند کوالانسی نشان داده شده است.

شکل -اصلاح سطح سیلیکا با استفاده از اتصالات کئوالانسی با ایمیدازول

اصلاح سطح به کمک مایعات یونی با اتصال آنیون

یک روش آسان برای اصلاح سطح توسط مایع یونی، روش ویتنس است. در این روش اتصال مایعیونی به سطح جامد از طریق اتصال آنیون صورت میگیرد. مایعیونی به حدی به فاز جامد افزوده میشود که ترکیب حالت پودری و خشک خود را از دست بدهد. در شکل زیر زئولیت اصلاح شده با مایعیونی را توسط این روش نشان میدهد. در این روش مایعیونی از طریق پیوند یونی با سطح اتصال برقرار میکند.

شکل -اصلاح سطح زئولیت به کمک مایعیونی از طریق اتصال آنیونی

اصلاح سطح به کمک مایعات یونی با اتصال کاتیون

اصلاح سطح از طریق پیوند کوالانسی بین کاتیون مایعیونی و گروه سیلانول (Si-OH) بر روی سطح انجام میگیرد. عیب این روش این است که خاصیت اسیدی مایعیونی افزایش مییابد. برای رفع این مشکل به جای افزایش مایعیونی به سطح سیلیکا، هالیدهای آلی شامل کاتیون در مایعیونی برروی سطح قرار میگیرد و در مرحله بعد هالیدهای فلزی اضافه میگردد. در این روش، در واقع آنیون همراه مایعیونی با آنیون روی سطح تعویض میشود.

شکل -اصلاح سطح سیلیکا از طریق اتصال کاتیون (روش پیوند)

اصلاح سطح به کمک مایعات یونی با روش پلیمریزاسیون

در این روش مایعیونی از طریق پیوند کوالانسی بر روی سطح پلیمر قرار خواهد گرفت. مایعیونی قرار گرفته شده بر روی پلیمر از طریق گروه پلیمری (معمولا توسط یک متصل کننده) به کاتیون و یا آنیون مایعیونی متصل میشود. معمولا با اتصال پلیمر به مایعیونی هدایت پلیمر افزایش مییابد. در شکل زیر اصلاح سطح پلیمر با استفاده از مایعیونی تترافلوئورو بورات متیل ایمیدازولیوم نشان داده شده است.

شکل -اصلاح سطح پلیمر به کمک مایعیونی

اصلاح سطح به کمک مایعات یونی با روش سل-ژل

در این روش سطح اصلاح شده با مایعات یونی از طریق روش سل-ژل تهیه میشود. به عنوان مثال 1-(تری اتوکسی سایلیل پروپیل)-3-متیل ایمیدازولیوم کلرید به مخلوطی از سیلیکا و ماده متخلخل شامل سیلیکا اضافه میشود. سپس با افزایش آلومینیوم کلرید کمپلکس یونی ایجاد میشود.

شکل -اصلاح سطح توسط مایعات یونی از طریق روش سل-ژل

اصلاح سطح به کمک مایعات یونی به روش جذب فیزیکی

در این روش مایعیونی از طریق پیوندهای ضعیف واندروالس برروی سطح قرار گرفته و اتصال کوالانسی خاصی مطرح نیست. برای مثال در شکل سطح نانوذره SBA-15 اصلاح شده توسط مایعیونی از طریق جذب فیزیکی را نشان میدهد.

شکل -جذب فیزیکی مایعیونی بر روی سطح نانوذره  SBA-15

کاربردهای سطوح اصلاح شده با مایعات یونی

استفاده به عنوان حسگر

خواص آبدوستی و آبگریزی سطوح با تغییر آنیون در مایعیونی تغییر میکند. به عنوان نمونه، نانوذرات اصلاح شده با مایعات یونی بر پایه کاتیون ایمیدازولیوم تهیه و سطح نانو ذره طلا اصلاح شده با مایعات یونی در محلول آبی به عنوان حسگر رنگسنجی برای گونههای آنیونی مختلف به کار برده شد. این حسگر از طریق مکانیسم تعویض آنیون مربوط به گونه مایعیونی عمل میکند. در شکل زیر رنگ این حسگر در حضور آنیونهای کلرید (Cl^-)، برمید (Br^-)، یدید (I^-) و تترافلوئورو بورات (BF₄^-) و در شکل زیر ساختار حسگر نشان داده شده است.

شکل -رنگ حسگر بر پایه کاتیون متیل ایمیدازول و نانوذره طلا در حضور آنیون، a=آنیون کلراید، b=آنیون برماید، c=آنیون بورات و d=آنیون یدید

شکل -ساختار حسگر نوری برای سطح نانو ذره طلا اصلاح شده با متیل ایمیدازول

کاربرد در پزشکی

نانوذرات معدنی اکسید آهن اصلاح شده با متیل ایمیدازولیوم کلرید طبق روش نشان داده در شکل زیر تهیه شدند و خواص زیست-دارویی آنها بررسی شد. این مواد در بدن و در محیط آزمایشگاه سمیت کمی نشان میدهند. محلول آبی از این نانوذرات معدنی اصلاح شده، تصویر واضحی در تصویربرداری رزونانس مغناطیسی در مقایسه با محصولات تجاری نشان میدهد. علاوه بر این با مولکولهای زیستی مانند  DNA نیز برهمکنش میکند.

شکل -اصلاح سطح نانوذرات اکسید آهن توسط -Nمتیل ایمیدازولیوم کلراید

کاربرد در شیمی تجزیه

مایعات یونی در شیمی تجزیه بیشتر در فرایندهای استخراج (استخراج مایع-مایع، استخراج فاز جامد، ریزاستخراج فاز مایع، ریزاستخراج فاز جامد) و جداسازی (کروماتوگرافی مایع، الکتروفورز موئین) کاربرد دارند. سطوح اصلاح شده با مایعات یونی با تغییر کاتیونها و آنیونها در جداسازی به عنوان فاز ساکن با قطبیت کم برای ترکیبات غیرقطبی و در رفتار متضاد (با ساختار قطبی) برای ترکیبات که پروتوندهنده قوی هستند استفاده میشود. ویژگیهای منحصربه فردی مانند رفتار دوگانه، پایداری حرارتی و طراحی سطوح با مایعات یونی دارای خواص مختلف باعث شده است که برای گستره وسیعی از گونههای تجزیهای استفاده شوند به همین دلیل این مواد به عنوان فاز ساکن در کروماتوگرافی گازی، کروماتوگرافی مایع و الکتروفورز موئینه استفاده میشوند و به عنوان جاذب در استخراج فاز جامد و ریزاستخراج فاز جامد استفاده میشود. همچنین به عنوان افزودنی به فاز متحرک در کروماتوگرافی مایع استفاده میشود. معمولا از کاتیون ایمیدازولیوم برای اصلاح سطح به خاطر خواص منحصر به فردش در استخراج و جداسازی در حالت مایع استفاده میشود. به علاوه آروماتیک بودن حلقه باعث میشود که سطح برهمکنش π-π با گونه تجزیهای داشته باشد. به همین خاطر برای جداسازی و استخراج ترکیبات آروماتیک استفاده میشود. دیگر کاتیونها مانند پیریدینیوم و تری آلکیل فسفونیوم به ندرت استفاده شدهاند. آنیونهای همراه برای این مایعات یونی کلرید، برمید، هگزافلوروفسفات و تترا فلوئورو بورات میباشند. مشکل سطوح اصلاح شده با مایعات یونی در استخراج و جداسازی این میباشد که وقتی در مجاورت محلول نمکی قرار میگیرند واکنش تغییر آنیون در این سطح رخ داده و خواص سطح تغییر میکند. موادی همچون سیلیکا و پلیمرها با مایعات یونی اصلاح میشوند. این مواد برای استخراج و جداسازی در گستره وسیعی از مواد (اسیدی، بازی، طبیعی، قطبی و غیرقطبی) استفاده میشوند.

کاربرد در کروماتوگرافی گازی

سطوح اصلاح شده با مایعات یونی در کروماتوگرافی گازی به عنوان فاز ساکن میتوانند به کار برده شوند. پایداری حرارتی (در GC معمولا از شرایط دمایی بالا استفاده میشود) و انتخاب پذیری بالا علت استفاده از سطوح اصلاح شده با مایعات یونی در کروماتوگرافی گازی میباشد. مایعات یونی دارای پیوند هیدروژنی، انتخابپذیری بالایی نسبت به سطح سیلان و پلیاتیلنگلیکول دارند. این امر نشان میدهد که در کروماتوگرافی گازی به خاطر گستره دمایی بالا و نیاز به ستون قطبی از این سطوح استفاده میشود. در جدول زیر گونههای تجزیهای جداشده با استفاده از ستونهای برپایه سطوح اصلاح شده با مایعات یونی در کروماتوگرافی گازی نشان داده شده است.

جدول -فازهای ساکن ساخته شده از سطوح اصلاح شده با مایعات یونی در کروماتوگرافی گازی

نمونه	آنالیت هدف	محتوی ستون فاز ساکن	ویژگی	آشکارساز
سوخت دیزل	هیدروکربنهای اشباع، مونوآروماتیکها و دی آروماتیکها	Trihexyl(tetradecyl)phosphonium Bis(Triflouromethane)solfunamide×5%diphenyl95%dimethylpolysiloxane	مایعات یونی سنتز شده	FID
سوخت دیزل	32 ترکیب اکسیژن-فسفردار	5%diphenyl+95%dimethylpolysiloxane×triflate (Triflouromethanesolfunate)	مایعات یونی سنتز شده	FID
Aroctor 1242 و 1260	209 نوع [1]PCB	Poly(5%phenyl-95%-methyl)siloxane×IL-36(1,12-di(tripropylphosphonium) dodecane bis(triflouromethylsulfonyl)imide	مایعات یونی تجاری	FID
Aroctor 1242 و 1260	209 نوع PCB	Poly(50%-n-octyl50%-methyl)siloxane×1,12-di(tripropylphosphonium)dodecane bis(triflouromethylsulfonyl)imide(SLB-IL59)	مایعات یونی تجاری	TOF-MS
دیزل	ترکیبات فسفردار	(5%Phenyl)methyl polysioxane×1,9-di(3-vinylimidazolium)nonane bis(trimethyl)sulfonyl imidate (triflate IL)×polyethyl glycol	مایعیونی سنتز شده	FID

کاربرد در کروماتوگرافی مایعی

مایعات یونی میتوانند به عنوان فاز ساکن و متحرک در کروماتوگرافی مایع استفاده شوند. اصلاح سطح توسط مایعات یونی باعث میشود که با تغییر کاتیون، آنیون، گروه آلکیل و یا اضافهکردن گروههای عاملدار خواص سطح را تغییر داد. با استفاده از مایعات یونی به عنوان فاز ساکن میتوان از آب به عنوان فاز متحرک استفاده کرد (بدون احتیاج به حلال آلی). در جدول زیر نمونههایی از سطوح اصلاح شده با مایعات یونی به عنوان فاز ساکن در کروماتوگرافی مایع نشان داده شده است

جدول -مایعات یونی استفاده شده به عنوان فاز ساکن در کروماتوگرافی مایع

مایع یونی	ساختار	فاز متحرک	آنالیت	نمونه
N-Hexylimidazoleium tetrafluoroborate		KH2PO4, MeOH	Ephedrines	محلول استاندارد
N-Hexylimidazoleium tetrafluoroborate (BF4)(hexafluorophosphate (PF6-)		a-KH2PO4, MeOH b-MeOH, NaH2PO4	a-Ephedrines b-Tropane alkaloids	محلول استاندارد
N-methylimidazolium chloride		KH2PO4	a-Inorganic anions b-Organic anionb- c-Amines d-Nucklotides	محلول استاندارد
Imidazolium chloride		a- KH2PO4 b- KH2PO4, MeOH c-Water	a-Inorganic anions b-Organic anions and neutral compounds c-Hyroxybenzenes,bases and amines	محلول استاندارد

---