離子液體之介紹

離子液體可隨著離子液體中陰陽離子之改變，搭配出許多不同之離子液體，

可能形成之離子液體具有 10¹⁸種[5]，因此其命名法亦相當重要。離子液體之命名 法相當簡易，可直接以陽離子名稱與陰離子名稱組合而成，通常組合而成之名稱 皆 會 相 當 冗 長 ， 因 此 一 般 來 說 會 使 用 縮 寫 之 方 式 表 示 離 子 液 體 。 例 如 1-ethyl-3-methylimidazolium chloride 結構式如圖 1- 2，陽離子上三碳與兩氮所組 成之環即為 imidazolium，而於環上 1 號位之氮接了 1 個乙基，並於三號位之氮上 接了一 1 個甲基，此陽離子與氯離子鍵結，可縮寫成[EMIM][Cl]。表 1- 1 為常作 為分離劑之離子液體的陰陽離子。近年來所發展之離子液體，因使用 imidazolium 型態之離子液體穩定性較佳，而最為受到關注，文獻中可使用作為分離共沸物系 統之離子液體，陽離子之使用以 1-alkyl-3-methylimidazolium 為最大宗，約佔 75%。

陰離子部分較常使用[Cl]^-、[PF₆]^-、[BF₄]^-、[OTf] ^-、[NTf₂] ^-、[EtSO₄] ^-等[6]。

圖 1- 2 1-ethyl-3-methylimidazolium chloride 結構式

表 1- 1 離子液體中常見的陰陽離子[6]

室溫離子液體以陰陽離子鍵結並以液相存在，其具有幾項特性，包含低熔點、

可忽略之蒸氣壓、熱穩定性佳、熱導性佳、不可燃、高黏度、高分子量等性質。

其中低熔點及可忽略之蒸氣壓使之於廣大之溫度範圍內皆以液相存在，許多應用 皆著眼於其液相之使用，包含提升相對揮發度及萃取等。因為離子液體幾乎無相 對揮發度，亦很難以儀器測得其蒸氣壓，一般皆認為無法使用蒸餾之氣液平衡方 法分離[7]，若有低揮發度之物質與離子液體混合，則欲分離出高純度之離子液體 則會遭遇許多困難。雖然離子液體在廣大的溫度區間內熱穩定度佳，但於高溫之 狀態會有熱分解(thermal decomposition)之現象，熱分解之現象即是因為離子液體逐 漸由液相形成少部分之氣相分子，而氣相分子無法維持如液體狀態之離子鍵結，

而使得氣態中之陰陽離子結構改變，而重新組態的過程，而在經過冷凝使之成為 液態時會形成多種不同物質之混合物。但 Earle et al.(2006)[8]提出離子液體實際上 可經由低壓蒸餾之方式分離且不會有熱分解現象，離子液體若再細分可分為質子

型離子液體(Protic ionic liquid)，以及非質子型離子液體(Aprotic ionic liquid)，質子 型離子液體即是於陽離子上有酸性質子(acidic proton)，而非質子型並沒有。根據 Earle et al.之研究，質子型之離子液體因為其質子會轉移至陰離子上，而造成結構 改變，熱分解效應亦相當強烈，而非質子型離子液體在沒有質子傳遞至陰離子之 情況下，形成氣相亦不會造成結構上之改變，熱分解效應則相當小。圖 1- 3 即為 Earle et al.所提出之模型圖，質子型離子液體如左圖所示，其陽離子上之氫會傳遞 至陰離子而形成不同的物質；非質子型則如右圖所示，陽離子上之氫無法傳遞至 陰離子上。而以 imidazolium 為陽離子主要型態之離子液體，亦屬於非質子型離子 液體。

圖 1- 3 質子型與非質子型離子液體於氣液兩相之示意圖[8]

Dong et al.(2013)[9]以量子統計熱力學(quantum statistical thermodynamics)之方 式探討非質子型離子液體於氣相時之結構，當離子液體從液體形成不同組合狀態 之氣相時，汽化熱亦會不同，其以模擬之結果與實驗所測得之汽化熱比較，如圖 1- 4 所示，其中 Y 軸為汽化熱，X 軸為不同之 clusters，其中橫向之實線表示實驗所 測得之汽化熱，由此模擬分析可知陰陽離子在一起形成之氣相較接近實驗值，因 此此模擬亦可說明此類非質子型離子液體生成之氣相會將陰陽離子綁定，冷凝過 後亦一同形成氣相，而較不會有熱分解現象。

圖 1- 4 Dong et al.(2013)[9]以模擬驗證離子液體於氣相型態之結果