辽宁大学佟静教授课题组最新成果：1-烷基-3-甲基咪唑氯化物焓变的热重分析

第一作者：刘璐

通讯作者：佟静

通讯单位：辽宁大学化学院

引用信息

刘璐, 徐玉萍, 陈霞, 洪梅, 佟静. 1-烷基-3-甲基咪唑氯化物焓变的热重分析. 物理化学学报, 2020, 36(11): 2004014.

Lu Liu, Yuping Xu, Xia Chen, Mei Hong, Jing Tong. Thermogravimetric Analysis of Enthalpy Variation of 1-Alkyl-3-methylimidazole Chloride. Acta Phys.-Chim. Sin., 2020, 36(11): 2004014.

主要亮点

对1-烷基-3-甲基咪唑氯化物离子液体进行了动态热重实验和恒温热重实验。通过恒温热重分析实验、Langmuir方程和Clausius-Clapeyron方程，求得样品蒸发焓。借助新模型估算1-辛基-3-甲基咪唑氯化物离子液体的蒸发焓，并与文献值相比较，结果在同一数量级。同时发现阳离子相同时变换阴离子会影响离子液体的蒸发焓，推测可能与分子间氢键有关。

研究背景：意义、现状

众所周知离子液体是一类环境友好的新型溶剂和液态功能材料，在很多领域都得到了广泛应用。由于离子液体的广泛应用使得人们迫切的想知道其基础理化性质。然而，离子液体基础性质的测定十分耗费时间，往往耽误了人们对化学性质的研究。甚至使得突发的灵感无法得到验证而搁浅淡忘，为此我们对1-烷基-3-甲基咪唑氯化物离子液体进行了热重分析，并且对 1-辛基-3-甲基咪唑氯化物离子液体的蒸发焓进行了估算。

核心内容

1.  样品预处理及恒温热重实验

为了提高实验数据的可靠性，避免微量水对实验结果的影响，在进行热重实验前，将样品在60 °C真空条件下干燥72 h，并用上海市安亭电子仪器厂生产的ZSD-2型卡尔费休水分滴定仪测定三种实验样品的水含量分别为0.00536 ± 0.0001、0.00540 ± 0.0001、0.00527 ± 0.0001。氩气作为吹扫气体，加热速率10 K·min⁻¹，气体流速100 mL·min⁻¹，实验温度范围298.15–503.15 K，其中T = 393.15 K时恒温30 min，除去样品中的微量水，样品质量50 mg左右，实验中使用的坩埚为同一坩埚。进而得到三种样品瞬时质量损失相对于时间变化的关系图。

图1  [C_nmim]Cl (n =2, 4, 6)的10⁸(m₀ − m)对(t − t₀)作图

2. 同系列物质蒸发焓的预测

为了丰富该系列物质的热性能数据，本课题组对1-辛基-3-甲基咪唑氯化物离子液体的蒸发焓进行预测。预测[C₈mim]Cl的蒸发焓△H_vap(298) = 136.7 kJ·mol⁻¹与文献40中估计的蒸发焓△H_vap(298) = 122.7 kJ·mol⁻¹处于同一数量级。另外，对氨基酸咪唑类、羧酸咪唑类和卤素咪唑类离子液体的蒸发焓值进行了比较。结合三类离子液体的分子结构差异可知：苏氨酸根(CH₃CH(OH)CH(NH₂)COO⁻)比丙酸根(CH₃CH₂COO⁻)多了一个羟基(-OH)和一个氨基(-NH₂)，并且二者都具有羧酸根(COO⁻)，而氯离子(Cl⁻)既不含羟基(-OH)和氨基(-NH₂)又不含羧酸根(COO⁻)。在[C_nmim]Thr (n = 2–6)中除了存在大量的阴、阳离子之间的相互作用力外，还存在着大量的氢键，从而导致[C_nmim]Thr (n = 2–6)在相同温度下自由离子含量较低，由液态变为气态时需要外界输入的能量较高，因此蒸发焓值较高。

结论与展望

根据课题组提出的新模型预测了[C₈mim]Cl的蒸发焓，并证明预测值和文献值在同一数量级。最后与前期工作中研究的羧酸咪唑类[C_nmim]Pro (n = 2–6)和氨基酸咪唑类[C_nmim]Thr (n = 2–6)离子液体的蒸发焓进行比较，得出结论：保持阳离子不变只变换阴离子会影响离子液体的蒸发焓，变化顺序为氨基酸咪唑类 > 羧酸咪唑类 > 卤素咪唑类。对比三类离子液体的分子结构差异，初步判断可能与分子间存在的氢键有关。本文所研究的[C_nmim]Cl (n = 2，4，6)离子液体分子间不存在氢键，因此在三类离子液体中蒸发焓值最低。发现当阳离子相同时，变换阴离子会对蒸发焓值产生影响，大小顺序为氨基酸咪唑类 > 羧酸咪唑类 > 卤素咪唑类，结合三类离子液体的分子结构差异，初步判断可能与分子间存在的氢键有关。本研究将为修改和调整离子液体的结构以满足实际应用提供基础数据。

☎作者介绍

 佟 静 

1976年生，辽宁大学化学院教授，博士生导师，主要研究方向为化学热力学和溶液化学。在国内外著名期刊上发表SCI收录论文60余篇，获国家发明专利2项， 主持各级别项目8项，其中国家自然科学基金 3 项，省级项目5项；2019和2011年获得辽宁省政府自然科学奖二等奖各一项。2015年入选“辽宁省百千万人才工程”百人层次。

相关拓展

原文链接（点击左下角“阅读原文”即可访问）：

http://www.whxb.pku.edu.cn/CN/10.3866/PKU.WHXB202004014