طراحی مولکولی ، رفتار فیزیکوشیمیایی و کاربردهای در حال ظهور مایعات یونی مبتنی بر ایمیدازول

مایعات یونی ایمیدازول را اختلاط کرد (ILS) یک کلاس ساختاری قابل تنظیم از نمکهای آلی را نشان می دهد که در دمای اتاق یا در نزدیکی اتاق مایع باقی می مانند ، با حضور دو گروه جایگزین در حلقه ایمیدازولیوم متمایز می شوند. این ترکیبات یک بستر گسترده برای متناسب سازی تعامل یونی ، خصوصیات فیزیکوشیمیایی و پویایی نجات برای کاربردهای هدفمند در سراسر کاتالیز ، الکتروشیمی ، سنتز مواد و شیمی سبز ارائه می دهند. این مقاله به استراتژی های مصنوعی ، همبستگی های ساختاری و استقرار عملکردی ILS IMIDAZOLE بی اختیاری می پردازد و بر نقش آنها در فن آوری های شیمیایی نسل بعدی تأکید می کند.

1. خصوصیات ساختاری و مسیرهای مصنوعی

تعلیق در حلقه ایمیدازول به طور معمول شامل جایگزین های آلکیل ، آریل ، اتر یا هتروسیکلیک در موقعیت های C2 ، C4 و C5 می شود و منجر به اثرات الکترونیکی و استریل متنوعی می شود. به طور متداول ، موقعیت های N1 و N3 با زنجیره های آلکیل یا هتروالکیل کاربردی می شوند ، در حالی که موقعیت C2 یا به صورت پروتئینی باقی مانده یا با گروه های اهدای الکترون/ترکیبی جایگزین می شود تا رفتار پیوند هیدروژن را اصلاح کند.

سنتز به طور کلی از طریق:

• N-alkylation از ایمیدازول با Haloalkanes برای به دست آوردن نمک های ایمیدازولیوم 1،3 دیزاسیون

• پس از عملکرد استراتژی ها ، مانند کواترنیزاسیون ، تعویض هسته یا فلز در موقعیت C2

• فرآیندهای تبادل آنیون با استفاده از واکنش های متاتز یا اسید پایه برای معرفی آنیونهای غیر هماهنگ یا عملکرد خاص (به عنوان مثال ، [PF₆] ⁻ ، [BF₄] ، [NTF₂] ⁻ ، یا گونه های هالومتال)

این تغییرات به طور انتقادی بر پارامترهای کلیدی مانند پایداری حرارتی ، آبگریز ، ویسکوزیته ، هدایت یونی و رفتار هماهنگی تأثیر می گذارد.

2. مدولاسیون خاصیت فیزیکوشیمیایی

خصوصیات فیزیکوشیمیایی IL های ایمیدازول جدا شده نسبت به اجزای کاتیونی و آنیونی بسیار حساس هستند. از طریق طراحی منطقی ، خواص زیر را می توان به صورت ریز تنظیم کرد:

• ویسکوزیته و سیالیت : تعویض آلکیل با زنجیره کوتاه به طور معمول ویسکوزیته را کاهش می دهد و حمل و نقل جرم را تقویت می کند ، در حالی که زنجیره های طولانی یا شاخه دار ترتیب ساختاری و پیچیدگی رئولوژیکی را افزایش می دهند.

• ثبات حرارتی و الکتروشیمیایی : جایگزین های معطر و حجیم می توانند دمای تجزیه را بهبود بخشند و پنجره های الکتروشیمیایی را گسترش دهند ، برای الکترولیت های باتری و رسانه های ابررسانا بسیار مهم هستند.

• تعادل آبگریز/آبگریز : ماهیت آنیون و وجود گروههای قطبی ، حلالیت آب و قابلیت اختلال در حلال های آلی را نشان می دهد و بر انتخاب حلال در کاتالیز یا استخراج تأثیر می گذارد.

• هدایت یونی : با کاهش جفت شدن یون و افزایش جابجایی بار ، به طور معمول از طریق استفاده از آنیونهای دلخراش یا حجیم در ترکیب با کاتیونهای هماهنگ کمتری افزایش می یابد.

تکنیک های تجربی مانند NMR ، FTIR ، TGA ، DSC و طیف سنجی دی الکتریک به طور معمول برای تجزیه و تحلیل این خصوصیات و ارتباط آنها با معماری مولکولی استفاده می شوند.

3. نجات و رفتار پیوند هیدروژن

توانایی منحصر به فرد IL های مبتنی بر ایمیدازولیوم در تشکیل شبکه های پیوند گسترده هیدروژن ، به ویژه هنگامی که هیدروژن C2 حفظ می شود ، زیربنای قدرت حل کننده استثنایی آنها است. عدم تعامل در این موقعیت ، قدرت اهدا کننده پیوند هیدروژن را تغییر می دهد ، بنابراین تعامل با املاح ، معرفها و مراکز کاتالیزوری را تعدیل می کند.

مطالعات محاسباتی و طیف سنجی IR نشان می دهد که IL های با عملکرد C2 دارای قطبیت کاهش یافته و کاهش توانایی در اختلال در تعامل حلال املاح ، و آنها را برای کارهای نجات انتخابی یا تثبیت واسطه های حساس در سنتز آلی مناسب می کند.

4. برنامه های کاربردی در حوزه های علمی

تطبیق پذیری IMIDAZOLE ILS با نقش در حال گسترش آنها در تحقیقات اساسی و کاربردی مشهود است:

الف رسانه کاتالیز و واکنش
این IL ها به عنوان رسانه غیر فرار و از نظر حرارتی پایدار برای کاتالیز فلزی انتقال ، کاتالیز اسید Brønsted/Lewis و بیوکاتالیز استفاده می شوند. ILS IMIDAZOLIUM اصلاح شده به صورت الکترونیکی می تواند واسطه های واکنشی را تثبیت کند یا به عنوان کاتالیزور مشترک ، به ویژه در واکنش های اتصال کربن-کربن ، چرخه بارگذاری یا فرآیندهای اکسیداتیو عمل کند.

ب. دستگاه های الکتروشیمیایی
با هدایت یونی بالا و پایداری حرارتی ، IL های ایمیدازولیوم اختلاط برای کاربردهای الکتروشیمیایی از جمله: ایده آل هستند.

• الکترولیت های باتری لیتیوم یون و سدیم یون

• رسانه های ابررسانا با ویندوزهای الکتروشیمیایی گسترده

• حمام های الکتروپلینگ برای فلزاتی مانند آل ، روی یا زمین های نادر

ج. علم جدایی و استخراج
IL های خیاطی با قطبیت خاص و خصوصیات میل می توان در استخراج مایع مایع ، جذب گاز (به عنوان مثال ، ضبط CO₂) و جداسازی زیست مولکولها ، فلزات نادر یا مخلوط های آذروپیک استفاده کرد.

د. مواد شیمی و فناوری نانو
IL ها به عنوان عوامل قالب بندی ، حلالها یا اصلاح کننده های سطح در سنتز مواد نانوساختار ، از جمله چارچوب های فلزی-ارگانیک (MOF) ، کربن های نانوذرات و نانومواد اکسید عمل می کنند. محیط غیر فرار و قطبی آنها از کنترل دقیق بر هسته و پویایی رشد پشتیبانی می کند.

5. ملاحظات زیست محیطی و سمی

علیرغم شهرت شیمی سبز آنها به عنوان گزینه های غیر گسترده برای حلال های آلی ، مشخصات محیطی ایمیدازول ILS نیاز به ارزیابی دقیق دارد. انواع اختلاط ، به ویژه آنهایی که زنجیرهای آلکیل طولانی یا آنیونهای هالوژنه شده دارند ، ممکن است پایداری ، پتانسیل زیست تجمع یا سمیت آبزی را نشان دهند.

تحولات اخیر روی:

• طراحی IL های تخریب پذیر با استفاده از جایگزین های استر ، آمید یا قند مشتق شده

• سیستم های قطبی قابل تعویض برای تسهیل بهبود و استفاده مجدد

• کاهش سمیت از طریق بهینه سازی آنیون و گزینه های غیر هالوژنه مانند آنیونهای آلکیل سولفات یا اسید آمینه

6. مسیرهای آینده و چالش های تحقیق

پیشبرد ابزار مایعات یونی ایمیدازول بی نظیر شامل چندین چالش مهم است:

• مدل سازی پیش بینی کننده روابط ساختار و پروپری ، با استفاده از یادگیری ماشین و محاسبات شیمیایی کوانتومی

• ادغام در مواد عملکردی مانند کامپوزیت های پلیمر-IL ، یونوژل ها یا غشاهای مایع پشتیبانی شده

• سنتز مقیاس پذیر و مقرون به صرفه ، به خصوص برای برنامه های درجه صنعتی

• تجزیه و تحلیل چرخه زندگی و رعایت نظارتی برای اطمینان از اجرای پایدار

مایعات یونی مبتنی بر ایمیدازول با اختیاری یک کلاس مدولار و غنی از ترکیبات را نشان می دهند که قادر به ایجاد چندین رشته علمی هستند. محققان با استفاده از مهندسی دقیق مولکولی ، می توانند طیف گسترده ای از رفتارهای فیزیکی و شیمیایی متناسب با نیازهای در حال ظهور در شیمی سبز ، ذخیره انرژی و تولید پیشرفته را باز کنند. تلاش های مداوم در طراحی منطقی ، ارزیابی محیط زیست و تحقیقات مبتنی بر کاربرد برای تحقق پتانسیل کامل آنها در فن آوری های شیمیایی پایدار ضروری است. $ $