離子液體

近年來，離子液體 (Ionic Liquids，ILs)在化學上的應用非常 廣泛。由於離子液體具有極低蒸氣壓、低熔點、高極性、不可燃 性、耐強酸、高熱穩定性、高導電度、電化學性佳及較廣的液體 溫度範圍( -96 ~ 400 ℃)等特殊性質，可替代一般所用之揮發性 有機溶劑(volatile organic compounds，VOCs)，應用於化學合成。

而且離子液體可在常壓下操作，不但降低操作成本，亦消除 VOCs 對環境的污染，並可避免操作人員暴露於揮發性有機溶劑 的風險，再回收使用，所以離子液體有時被認為是一種新的綠色 溶劑（green solvent）[ 34]。

離子液體是由陰離子及陽離子所組成的有機熔鹽，依不同組 合方式，產生極多種類的離子液體。鹽類的熔點可高達 801 ℃

或低到–96 ℃，為方便與高溫熔鹽做區分，通常把熔點低於 100

℃的熔鹽稱為室溫離子液體(room temperature ion liquids，

RTILs)，簡稱為離子液體 (ILs)。目前所發現的離子液體已超過上 百種，常用的離子液體結構如 Figure 2-4[ 35]所示。

離子液體的陽離子包含有：

b. N-alkylpyridinium([CnPY]⁺ ， n 為線性烷基碳的數目)

c. trifluoromethylsulfonate (CF3SO3 -)

d. bis[(trifloromethyl)sulfonyl]amide [(CF3SO2)2N] -e. trifluoroethanoate (CF3CO2

-) f. ethanoate (CH3CO2

-) g. halide (Br^-, Cl^-, I^-)。

雖然早在 1914 年 Walden 即首先報導低溫的離子液體

ethylammonium nitrate[ 37]，Hurley 於 1951 年合成室溫離子液體

N-ethylpyridinium bromide- aluminium chloride[ 38]，但一直到

Figure 1-4 Structures of ionic liquids[ 35]

及以胺基酸作為陰離子的離子液體等特殊功能的離子液體 [ 44]，近年來，離子液體的研究趨勢傾向開發增加其功能性。離 子液體的親水性主要是取決於陰離子的結構，對水溶解度趨勢如 Figure 1-4[ 36]。通常陽離子碳鏈愈長親水性愈差。陽離子的對 稱性愈低，會影響晶體的堆疊性，使熔點降低，而分子間的氫鍵 會使熔點提高，常用雙烷基咪唑鹽類(dialkylimidazolium)的離子 液體的熔點。熔點決定了離子液體之使用溫度下陷，是界定、研 究離子液體及其使用過程的參考指標，如 Table 1-3[ 45]所示。

離子液體在化學領域的應用，有許多特殊的物理性質，例如 可溶解多種的無機物質和有機物質，卻與部分的有機溶劑不互 溶，可形成兩相反應系統，其優點是反應與分離可同時進行。不 具揮發性，在高度真空下操作不易流失。不可燃性及有高的熱穩 定性，加上其液體範圍廣，使其可應用的反應溫度範圍廣。另外，

還可改變陰離子及陽離子的組成以調控其特性，因此，離子液體 亦被認為是“designer solvent”。離子液體在電化學系統中，兼具 溶劑及非水溶液電解質的功能。

離子液體的應用簡述如下：

a. 有機合成的應用: 由於離子液體可溶解有機物質或無機物 質，可使用為有機反應之溶劑來取代傳統有機溶劑，不僅 減少傳統揮發性溶劑的危害，有時還可提高反應之選擇性 和產率[ 47]。Jaeger 等人首先以離子液體[EtNH₃][NO3]進行

Diels-Alder 反應[ 48]，與有機溶劑甲苯及四氫呋喃（Tetra- hydrofuran，THF）比較[ 49]，可提高產率及 Endo/Exo 選擇 性。Wasserscheid[ 50]等人及 Ishida[ 51]等人合成不同對掌 性陽離子型式的離子液體，此種對掌性離子液體於不對稱 合成反應時，可增加產物的立體選擇性，亦可作為對掌性 分離中所填充鏡相異構物。

b. 電化學的應用: 由於離子液體具導電性，可取代傳統的電 解液，且具有電化學視窗較廣的優點，可改善電化學過程 中使用溶劑的偵測限制。使用離子液體在電化學的研究，

開啟了離子液體在綠色化學領域之重視，另外也推展其在 鋰離子電池[ 52]、燃料電池[ 53]、太陽能電池[ 54]、電容[ 55]

及可偵測 O₂、CO₂、SO₂氣體的薄膜電極[56-60]等方面應用。

c. 其他功能上的應用：離子液體可溶解纖維素[ 61]、作為溶 膠-凝膠（Sol-Gel）的溶劑[ 62]及潤滑劑[ 63]等應用，離子 液體的應用隨著新的離子液體發現而陸續增加。另外，離

子液體可結合超臨界 CO₂於反應、萃取及分離相關應用

[ 64]。

基本上，隨著離子液體的研究發展，其應用將 更深入、更 廣泛，使其在綠色化學的重要性相對增加，不過，在其邁向廣泛 工業上的應用，仍有許多問題，如價格昂貴、產率過低等，需要 克服[65-66]，有待進一步研究來解決。

Table 1-3 Melting points and viscosities of dialkylimidazolium salts