两类离子液体黏度与氢键关系的动力学模拟

发布时间：2020-09-24 21:31

　　工业化进程促进了人类的繁荣和发展,但同时也造成了严重的环境污染。其中,有机溶剂的广泛使用是造成污染的重要原因之一。随着“绿色化学”概念的提出,寻找低污染、高效率的溶剂成为了众多研究者共同关注的课题之一。近年来,离子液体以其独特的物理化学性质成为有机溶剂潜在的替代者之一。但是,离子液体的粘度相对较高,通常比普通有机溶剂高大约2~3个数量级。过高的粘度不仅会阻碍物质的混合和分离,而且还会阻碍热和物质的传递速率,严重影响离子液体的大规模应用。改变离子液体的阴阳离子结构可以改变离子液体的性质,设计并合成具有所需粘度的离子液体。由于离子液体的种类繁多,逐一测试离子液体的粘度几乎是一件不可能完成的任务。如果能够揭示离子液体的结构和粘度之间的关系,那么就能够定性判断离子液体粘度的相对顺序和大概范围,可以为筛选或者合成具有所需粘度的离子液体提供有价值的线索,而无需逐一测量离子液体粘度的具体数值。本文针对吡啶和季铵盐这两类离子液体,采用分子动力学与密度泛函理论相结合的方法,研究了它们的粘度与氢键之间的关系,从理论上预判了一类离子液体的粘度顺序,期望能揭示离子液体粘度和结构之间的关系从而为设计具有特定粘度的离子液体提供一些理论线索。本文的研究工作主要包括以下三个部分:1.研究了吡啶环上甲基取代位置的不同对吡啶类离子液体粘度的影响。具体的研究对象为[b2mpy][BF_4],[b3mpy][BF_4],[b4mpy][BF_4]和[bpy][BF_4]。首先,采用分子动力学方法,对512对离子液体对进行了30 ns的动力学模拟,得到了径向分布函数(RDFs)和空间分布函数(SDFs)。通过径向分布函数,确定了离子液体中氢键的位置和相对强弱,其中阴离子中的F原子最可能和吡啶环中与N原子相邻的C原子上的H原子形成氢键。根据分子动力学模拟的结果,计算了单个离子液体对的寿命,离子对寿命降低的顺序是[b2mpy][BF_4][b4mpy][BF_4][b3mpy][BF_4][bpy][BF_4]。这一顺序与实验测定的粘度的变化顺序完全一致。为了进一步明确氢键和粘度之间的关系,在B3PW91/6-31G(d,p)水平下,分别优化了单个离子对和两个离子对组成的团簇的几何结构。采用AIM和NCI方法,分析了体系中的氢键。研究发现,([b2mpy][BF_4])_2中的氢键数量最多且强度最大,相应地,它的粘度也是最大的。为了进一步明确氢键和粘度的相关性,绘制了这4种离子液体的粘度和氢键的关系图。结果发现,粘度和氢键的强弱呈现正比关系;邻位取代的吡啶离子液体的粘度最大,而间位和对位取代对粘度的影响不明显。2.以不同链长不同阴阳离子的吡啶类离子液体[EPy][OTf],[EPy][NTf_2],[BPy][OTf],[BPy][NTf_2]和[BPy][BF_4]作为研究对象,采用分子动力学和量子化学的方法,研究了粘度和氢键的关系。在NPT系综下,对这5种离子液体进行了30 ns的动力学模拟。为了保持离子液体的流动性,模拟中采用了退火的方法。根据动力学模拟的结果,得到了径向分布函数。通过径向分布函数,分析了阴离子中N、O和F原子与阳离子中的H原子形成氢键的可能性。结果表明,它们的共同特点是阴离子几乎不会与长烷基链末端的H原子形成氢键。采用B3PW91、6-31G(d,p)方法优化了单个离子对和两个离子对组成的团簇的几何构型。采用NCI和AIM方法,分析了它们的氢键强度。结果表明,无论是离子对寿命还是氢键强度的结果都表明阴离子为[BF_4]~-和[OTf]~-的离子液体的粘度远远大于阴离子为[NTf_2]~-的离子液体,这是因为[BF_4]~-中的F原子能够与阳离子中的H原子形成强烈的氢键。3.在上述研究的基础上,采用相同的方法研究了3种季铵盐离子液体,TBA pyruvate,TBA L-lactate和TBA L-malate的氢键和粘度的关系。它们的阳离子都是季铵盐阳离子,而阴离子不同,但都含有氧原子。除了通过径向分布函数得到它们氢键的初步信息以外,还采用密度泛函理论在B3PW91/6-31G(d,p)水平下,优化了单个离子对和两个离子对组成的团簇的几何结构。采用NCI和AIM方法,分析了它们分子内和分子间氢键的强度。结果表明,离子液体的粘度是由分子中强度较大的氢键所决定的,而与氢键的数量没有直接关系。另外,利用离子对寿命和自扩散系数所预测的粘度顺序与实验值相吻合。由以上结论可知,离子液体的粘度和其氢键强度存在正比关系,因此可以用氢键的强度来定性判断那些具有相似结构的离子液体的粘度。尽管这种方法目前还无法定量地计算离子液体的粘度,但是可以用改变体系氢键强度的方法来调节离子液体的粘度。
【学位单位】：河南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O645.1
【部分图文】：

阴离子,离子液体

不仅可以作为电化学的电解液和有机反应的催化剂，在反应、分离等了离子液体的踪迹。Wilkes 等人开拓性的工作在离子液体的发展史上，此后离子液体的发展进入了全新的阶段。从 1992 年至今，研究人液体有四氟硼酸盐，六氟磷酸盐和三氟甲烷磺酸盐等。它们作为催化解质添加剂等得到广泛应用。时至今日，离子液体家族还在不断增加子液体阴离子有：[BF4]-, [PF6]-, [N(CF3SO2)2]-, [CH3CO2]-, [MeSO4]-1)，由这些阴离子组成的离子液体的性质比较稳定；常见的离子液体阳m]+, [N1234]+, [R1R2R3py]+, [P1234]+和[P12]+等(图 1-2)。目前，人们对离子艾，这一研究领域的发展必将由分子合成，性能测试，发展到构效关关系是合成具有所需性质离子液体的前提，是使离子液体的研究摆脱设计离子液体的有效途径。因此，建立合理可靠的构效关系必将是未的关键科学问题，也是本文关注的问题。

阳离子,离子液体,有机溶剂,物理化学性质

图 1-2 常见的阳离子1.3 离子液体的物理化学性质离子液体之所以备受关注，与其独特的物理化学性质息息相关。离子液体的主要特：1. 相对低的熔点。离子液体的熔点一般低于 100℃,所以其稳定的液态范围一般可00℃～400℃[14],远远大于其他有机溶剂；2. 一般来说，离子液体的密度高于普通有机溶剂，并且与许多溶剂不互溶，因此在分离方面具有广泛的用途[15]；3. 优良的溶解性。离子液体的溶解性远远高于普通有机溶剂，可以溶解多种化合物目前只有离子液体能溶解氯化物和氢化物[16]；4. 极低的蒸气压。众所周知，离子液体不易挥发，无色无味[17]。因此在循环使用中基本不会对环境造成污染，具有明显的“绿色”特征；

H原子,阳离子,原子

图 2-3 阳离子中不同 H 原子与[BF4]-中 F1 原子之间的径向分布函数于[b3mpy][BF4]而言，氢键最倾向于在 F1 和 H2 原子之间形成，并且概率最4 具有与 H2 对称的位置，因此二者形成氢键的可能性相似。其中，H1/H3 原原子之间形成氢键的可能性较小，其概率分别为 12.2 和 10.2。另外，除 H5 原基链上的 H 原子难以与 F1 原子之间形成氢键。[b4mpy][BF4]中，由于 H1 和 H4 原子的位置对称，二者与 F1 原子之间形成氢也类似。同样，由于 H2 和 H3 原子也处于对称位置，C2-H2…F1 与 C4-H3也十分相似。由此可以看出，吡啶环上对称位置的两个 H 原子与 F1 原子形成能性几乎相同。于[bpy][BF4]本身的对称性，阳离子上仅显示了其中一半 H 原子与 F 原子形成能性，这与其他吡啶类离子液体的特征相似。其中，紧邻 N 原子的 C 原子上的有可能与 F 原子形成氢键。除了靠近吡啶环的那个 H 原子之外，烷基链上的

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