Глубокий эвтектический растворитель
Глубокоэвтектические растворители или ДЭС представляют собой растворы кислот Льюиса или Бренстеда и оснований, образующих эвтектическую смесь . [ 1 ] Глубокие эвтектические растворители легко поддаются настройке за счет изменения структуры или относительного соотношения исходных компонентов и, таким образом, имеют широкий спектр потенциальных применений, включая каталитические, разделительные и электрохимические процессы. [ 1 ] [ 2 ] Исходные компоненты глубоких эвтектических растворителей образуют сложную сеть водородных связей, что приводит к значительному снижению температуры замерзания по сравнению с исходными соединениями. [ 3 ] Степень снижения температуры замерзания, наблюдаемая в DES, хорошо иллюстрируется смесью хлорида холина и мочевины соотношении 1:2 в мольном . Холинхлорид и мочевина при комнатной температуре являются твердыми веществами с температурами плавления 302 °C (точка разложения) и 133 °C соответственно, однако комбинация этих двух веществ в молярном соотношении 1:2 образует жидкость с температурой замерзания 12 °C. С. [ 4 ] DES имеют схожие свойства с ионными жидкостями, такие как возможность настройки и отсутствие воспламеняемости, но отличаются тем, что ионные жидкости представляют собой чистые соли, состоящие исключительно из дискретных ионов. [ 1 ] В отличие от обычных растворителей, таких как летучие органические соединения ( ЛОС ), DES негорючие, обладают низким давлением пара и токсичностью. [ 5 ]
Эвтектические растворители первого поколения были основаны на смесях четвертичного аммония солей с донорами водородных связей, такими как амины и карбоновые кислоты . DES подразделяются на четыре типа в зависимости от состава: [ 6 ]
| Тип I | Четвертичная соль аммония + хлорид металла |
| Тип II | Четвертичная соль аммония + гидрат хлорида металла |
| Тип III | Четвертичная соль аммония + донор водородной связи |
| Тип IV | Гидрат хлорида металла + донор водородной связи |
Эвтектики типа I включают широкий спектр хлорметаллатных ионных растворителей, которые широко изучались в 1980-х годах, такие как хлоралюминаты имидазолия, которые основаны на смесях AlCl 3 + хлорид 1-этил-3-метилимидазолия. [ 7 ] Эвтектики типа II по составу идентичны эвтектике типа I, но включают гидратированную форму галогенида металла. Эвтектики типа III состоят из акцепторов водородных связей, таких как соли четвертичного аммония (например, хлорид холина) и доноров водородных связей (например, мочевина, этиленгликоль), и включают класс безметалловых глубоких эвтектических растворителей. [ 2 ] [ 8 ] Эвтектики типа III успешно используются в таких процессах обработки металлов, как электроосаждение, электрополировка и экстракция металлов. Эвтектики типа IV аналогичны типу III, но заменяют акцептор водородной связи на основе четвертичной аммониевой соли на акцептор водородной связи галогенида металла, при этом все еще используя органический донор водородной связи, такой как мочевина. Эвтектики типа IV представляют интерес для электроосаждения, поскольку они образуют катионные комплексы металлов, обеспечивающие высокую концентрацию ионов металлов в двойном слое вблизи поверхности электрода. [ 8 ]
Широкому практическому использованию ДЭС в промышленных процессах или устройствах до сих пор препятствуют относительно высокие вязкости и низкая ионная проводимость. Кроме того, отсутствие понимания взаимосвязи между структурой исходного соединения и функцией растворителя не позволяет разработать общие правила проектирования. Работа по пониманию связи структура-функция продолжается.
Природные глубокие эвтектические растворители
[ править ]Природные глубокие эвтектические растворители (НАДЕС) имеют биологическое происхождение. [ 9 ] [ 10 ] глубокие эвтектические растворители, которые состоят из двух или более соединений, которые обычно представляют собой первичные метаболиты растительного происхождения , т.е. органические кислоты , сахара , спирты , амины и аминокислоты . [ 11 ] [ 12 ] Работа, проделанная Чой, Спронсеном и др . [ 11 ] показал, что в составе растворителя может присутствовать вода , прочно удерживаемая в жидкости и не поддающаяся испарению .
Исследовать
[ править ]По сравнению с современными ионными жидкостями на основе дискретных анионов, такими как бистрифлимид , которые имеют много общих характеристик, но являются ионными соединениями, а не ионными смесями, DES дешевле производить и иногда биоразлагаем . [ 13 ] Таким образом, ДЭС можно использовать как безопасный, эффективный, простой и недорогой растворитель.
На сегодняшний день существует множество приложений, которые были изучены для DES. Варьируя компоненты ДЭС и их мольные соотношения, можно получить новый ДЭС. По этой причине каждый год в литературе появляется множество новых приложений. [ 14 ] Одними из первых применений DES были электроочистка металлов с использованием DES в качестве электролита. [ 15 ] Органические соединения, такие как бензойная кислота (растворимость 0,82 моль/л), хорошо растворяются в ДЭС, включая даже целлюлозу . [ 16 ] [1] Архивировано 4 марта 2017 г. на Wayback Machine. По этой причине DES применялись в качестве растворителей для экстракции таких материалов из их сложных матриц. Также был изучен ДЭС в качестве экстракционного растворителя при отделении ароматических углеводородов от нафты, и в 2012 году были опубликованы многообещающие результаты. [ 17 ] [ 18 ] и 2013. [ 19 ]
Их также изучали на предмет их применимости в производстве и очистке биодизеля. [ 20 ] [ 21 ] и их способность извлекать металлы для анализа. [ 22 ] Объединение микроволнового нагрева с глубоким эвтектическим растворителем может эффективно увеличить растворяющую способность ДЭС и сократить время, необходимое для полного растворения биологических образцов при атмосферном давлении. [ 23 ] Примечательно, что протонпроводящий ДЭС (например, смесь метансульфоната имидазолия и 1Н-1,2,4-триазола в мольном соотношении 1:3 или смесь метансульфоната 1,2,4-триазолия и 1Н-1,2 ,4-триазол в мольном соотношении 1:3, где основание Бренстеда может выступать в качестве донора водородной связи) также нашли применение. в качестве проводников протонов для топливных элементов. [ 24 ] [ 25 ]
Благодаря своему уникальному составу ДЭС являются перспективными сольватирующими средами, влияющими на структуру и самосборку растворенных веществ. самосборка додецилсульфата натрия (ДСН) в ДЭС, что означает, что ДЭС может образовывать микроэмульсии, отличные от микроэмульсий в воде. Например, недавно была изучена [ 26 ] В другом случае сольватация полимера поливинилпирролидона (ПВП) в ДЭС отличается от воды, в результате чего ДЭС оказывается лучшим растворителем для полимера. [ 27 ] Показано также, что в зависимости от состояния вещества растворенного вещества гомогенные или гетерогенные смеси. образуются [ 28 ]
DES также изучался на предмет его потенциального использования в качестве более экологически устойчивого растворителя для извлечения золота и других драгоценных металлов из руды . [ 29 ] Некоторые работы по экстракции растворителем проводились с использованием растворителей DES. Марк Форман из Chalmers в последние годы опубликовал несколько статей по этой теме. Он писал об использовании растворителей для переработки аккумуляторов с прикладной точки зрения. [ 30 ] и он также опубликовал, возможно, первое серьезное исследование экстракции металлов из DES растворителем. [ 31 ] Форман также опубликовал две чисто исследовательские статьи по вопросам деятельности DES: в первом [ 32 ] он отметил, что коэффициенты активности в DES, по-видимому, сильно отклоняются от своих значений в растворе хлорида натрия , тогда как в его более поздней статье [ 33 ] он предоставляет математическую модель коэффициентов активности в DES, используя уравнение SIT . Наконец, участие DES в термоэлектрической области было исследовано путем включения DES в термоэлектрический полимер для синтеза улучшенных термоэлектрических полимерных пленок. [ 34 ]
Ссылки
[ править ]- ^ Jump up to: а б с Смит, Эмма Л.; Эбботт, Эндрю П.; Райдер, Карл С. (12 ноября 2014 г.). «Глубокоэвтектические растворители (DES) и их применение» . Химические обзоры . 114 (21): 11060–11082. дои : 10.1021/cr300162p . hdl : 2381/37428 . ПМИД 25300631 .
- ^ Jump up to: а б Гуркан, Бурку; Сквайр, Генри; Пентцер, Эмили (19 декабря 2019 г.). «Безметалловые глубокие эвтектические растворители: приготовление, физические свойства и значение» . Журнал физической химии . 10 (24): 7956–7964. doi : 10.1021/acs.jpclett.9b01980 . ОСТИ 1608304 . ПМИД 31804088 . S2CID 208643425 .
- ^ «Глубокоэвтектические растворители» (PDF) . kuleuven.be . Университет Лестера . Проверено 17 июня 2014 г.
- ^ Эбботт, Эндрю П.; Кэппер, Глен; Дэвис, Дэвид Л.; Рашид, Раймонд К.; Тамбираджа, Васуки (19 декабря 2003 г.). «Новые растворяющие свойства смесей хлорида холина и мочевины». Химические коммуникации (1): 70–71. дои : 10.1039/b210714g . ПМИД 12610970 .
- ^ Гарсиа, Грегорио; Апарисио, Сантьяго; Улла, Рух; Атильхан, Мерт (16 апреля 2015 г.). «Глубокоэвтектические растворители: физико-химические свойства и применение для разделения газов» . Энергетика и топливо . 29 (4): 2616–2644. дои : 10.1021/ef5028873 .
- ^ Эбботт, Эндрю П.; Бэррон, Джон К.; Райдер, Карл С.; Уилсон, Дэвид (27 июля 2007 г.). «Ионные жидкости на эвтектической основе с металлсодержащими анионами и катионами». Химия: Европейский журнал . 13 (22): 6495–6501. дои : 10.1002/chem.200601738 . ПМИД 17477454 .
- ^ Уилкс, Джон С.; Левиски, Джозеф А.; Уилсон, Роберт А.; Хасси, Чарльз Л. (март 1982 г.). «Расплавы хлоралюмината диалкилимидазолия: новый класс ионных жидкостей при комнатной температуре для электрохимии, спектроскопии и синтеза». Неорганическая химия . 21 (3): 1263–1264. дои : 10.1021/ic00133a078 .
- ^ Jump up to: а б Эбботт, Эндрю П.; Аль-Барзинджи, Азиз А.; Эбботт, Пол Д.; Фриш, Геро; Харрис, Роберт С.; Хартли, Дженнифер; Райдер, Карл С. (2014). «Вид, физические и электролитические свойства эвтектических смесей на основе CrCl3·6H2O и карбамида» . Физическая химия Химическая физика . 16 (19): 9047–9055. Бибкод : 2014PCCP...16.9047A . дои : 10.1039/c4cp00057a . HDL : 2381/37718 . ПМИД 24695874 .
- ^ Эбботт, Эндрю П.; Бутби, Дэвид; Кэппер, Глен; Дэвис, Дэвид Л.; Рашид, Раймонд К. (июль 2004 г.). «Глубокие эвтектические растворители, образующиеся между хлоридом холина и карбоновыми кислотами: универсальные альтернативы ионным жидкостям». Журнал Американского химического общества . 126 (29): 9142–9147. дои : 10.1021/ja048266j . ПМИД 15264850 .
- ^ Дай, Юнтао; ван Спронсен, Яап; Виткамп, Герт-Ян; Верпорте, Роберт; Чхве, Ён Хэ (22 ноября 2013 г.). «Ионные жидкости и глубокие эвтектические растворители в исследовании натуральных продуктов: смеси твердых веществ в качестве растворителей для экстракции». Журнал натуральных продуктов . 76 (11): 2162–2173. дои : 10.1021/np400051w . hdl : 1887/3193548 . ПМИД 24188074 . S2CID 5813169 .
- ^ Jump up to: а б Чхве, Ён Хэ; ван Спронсен, Яап; Дай, Юнтао; Верберн, Марианна; Холлманн, Франк; Арендс, Изабель WCE; Виткамп, Герт-Ян; Верпорте, Роберт (август 2011 г.). «Являются ли природные глубокие эвтектические растворители недостающим звеном в понимании клеточного метаболизма и физиологии?» . Физиология растений . 156 (4): 1701–1705. дои : 10.1104/стр.111.178426 . ПМК 3149944 . ПМИД 21677097 .
- ^ Дай, Юнтао; ван Спронсен, Яап; Виткамп, Герт-Ян; Верпорте, Роберт; Чхве, Ён Хэ (март 2013 г.). «Природные глубокие эвтектические растворители как новые потенциальные среды для экологически чистых технологий». Аналитика Химика Акта . 766 : 61–68. дои : 10.1016/j.aca.2012.12.019 . hdl : 1887/3193533 . ПМИД 23427801 . S2CID 19255174 .
- ^ Кларк, Коби Дж.; Ту, Вэй-Чен; Леверс, Оливер; Брюль, Андреас; Халлетт, Джейсон П. (24 января 2018 г.). «Зеленые и устойчивые растворители в химических процессах». Химические обзоры . 118 (2): 747–800. doi : 10.1021/acs.chemrev.7b00571 . hdl : 10044/1/59694 . ПМИД 29300087 .
- ^ Свигель, Росселла; Досси, Николо; Грациоли, Кристиан; Тониоло, Розанна (январь 2021 г.). «Глубокие эвтектические растворители (DES) и их применение при разработке биосенсоров» . Датчики . 21 (13): 4263. Бибкод : 2021Senso..21.4263S . дои : 10.3390/s21134263 . ПМЦ 8271379 . ПМИД 34206344 .
- ^ Эбботт, Эндрю П.; Маккензи, Кэти Дж.; Райдер, Карл С. (2007). «Гальванополировка и гальваническое покрытие металлов с использованием ионных жидкостей на основе хлорида холина». Ионные жидкости IV . Серия симпозиумов ACS. Том. 975. стр. 186–197. дои : 10.1021/bk-2007-0975.ch013 . ISBN 978-0-8412-7445-7 .
- ^ Патент США 8022014 , Ричард Ф. Миллер, «Глубокие эвтектические растворители и их применение», опубликован в 2010 г., выдан 20 сентября 2011 г.
- ^ Карим, Мухтар А.; Мьялли, Фарук С.; Хашим, Мохд Али; Хадж-Кали, Мохаммед КО; Баг, Фатеме Саадат Гарех; Альнашеф, Возможно М. (15 ноября 2012 г.). «Фазовые равновесия толуола/гептана с глубокими эвтектическим растворителями на основе бромида тетрабутилфосфония для потенциального использования при отделении ароматических соединений от нафты». Жидкостное фазовое равновесие . 333 : 47–54. doi : 10.1016/j.fluid.2012.07.020 .
- ^ Карим, Мухтар А.; Мьялли, Фарук С.; Хашим, Мохд Али; Аль-Нашеф, Инас М. (25 января 2012 г.). «Равновесие жидкость-жидкость для тройной системы (глубокий эвтектический растворитель на основе фосфония – бензол – гексан) при разных температурах: введен новый растворитель». Жидкостно-фазовые равновесия . 314 : 52–59. дои : 10.1016/j.fluid.2011.10.024 .
- ^ Карим, Мухтар А.; Мьялли, Фарук С.; Хашим, Мохд Али; Хадж-Кали, Мохаммед КО; Гарех Баг, Фатеме Саадат; Альнашеф, Возможно М. (1 октября 2013 г.). «Фазовые равновесия толуол/гептан с глубокими эвтектическими растворителями на основе йодида этилтрифенилфосфония для потенциального использования при отделении ароматических соединений от нафты». Журнал химической термодинамики 65 : 138–149. дои : 10.1016/j.jct.2013.05.046 .
- ^ Хайян, Маан; Мьялли, Фарук С.; Хашим, Мохд Али; Аль-Нашеф, Инас М. (январь 2010 г.). «Новый метод отделения глицерина от биодизельного топлива на основе пальмового масла с использованием ионных жидкостей». Технология переработки топлива . 91 (1): 116–120. дои : 10.1016/j.fuproc.2009.09.002 .
- ^ Хайян, Адиб; Хашим, Мохд Али; Хайян, Манн; Мьялли, Фарук С.; АльНашеф, Инас М. (апрель 2013 г.). «Новый эвтектический растворитель на основе аммония для очистки свободных жирных кислот и синтеза биодизельного топлива». Технические культуры и продукты . 46 : 392–398. дои : 10.1016/j.indcrop.2013.01.033 .
- ^ Хабиби, Эмадалдин; Ганеми, Камаль; Фаллах-Мехрджарди, Мехди; Дадолахи-Сохраб, Али (январь 2013 г.). «Новый метод пищеварения, основанный на глубоком эвтектическом растворителе хлорида холина и щавелевой кислоты, для определения Cu, Fe и Zn в пробах рыбы». Аналитика Химика Акта . 762 : 61–67. дои : 10.1016/j.aca.2012.11.054 . ПМИД 23327946 .
- ^ Ло, Цзяншуй; Тан, Тран Ван; Конрад, Олаф; Ванкелеком, Иво Ф.Дж. (2012). «1H-1,2,4-Триазол как растворитель метансульфоната имидазолия» . Физическая химия Химическая физика . 14 (32): 11441–11447. Бибкод : 2012PCCP...1411441L . дои : 10.1039/c2cp41098b . ПМИД 22801556 .
- ^ Ло, Цзяншуй; Ху, Джин; Саак, Вольфганг; Бекхаус, Рюдигер; Уиттсток, Гюнтер; Ванкелеком, Иво Ф.Дж.; Агерт, Карстен; Конрад, Олаф (2011). «Протонная ионная жидкость и ионные расплавы, полученные из метансульфоновой кислоты и 1H-1,2,4-триазола в качестве высокотемпературных электролитов PEMFC» . Журнал химии материалов . 21 (28): 10426. doi : 10.1039/C0JM04306K .
- ^ Пал, Махи; Рай, Рева; Ядав, Анита; Ханна, Раджеш; Бейкер, Гэри А.; Панди, Сиддхарт (11 ноября 2014 г.). «Самоагрегация додецилсульфата натрия в глубоком эвтектическом растворителе (холинхлорид + мочевина)». Ленгмюр . 30 (44): 13191–13198. дои : 10.1021/la5035678 . ПМИД 25314953 .
- ^ Сапир, Лиэль; Стэнли, Кристофер Б.; Харрис, Дэниел (19 мая 2016 г.). «Свойства поливинилпирролидона в глубоком эвтектическом растворителе». Журнал физической химии А. 120 (19): 3253–3259. Бибкод : 2016JPCA..120.3253S . дои : 10.1021/acs.jpca.5b11927 . ОСТИ 1424493 . ПМИД 26963367 .
- ^ Хаккинен, Риина; Альшаммари, Оде; Тиммерманн, Ванесса; Д'Агостино, Кармин; Эбботт, Эндрю (2019). «Наномасштабная кластеризация спиртовых растворов в глубоких эвтектических растворителях, изученная методами ядерного магнитного резонанса и динамического рассеяния света» . ACS Устойчивая химия и инженерия . 17 (7): 15086–15092. doi : 10.1021/acssuschemeng.9b03771 . S2CID 201218446 .
- ^ Дженкин, Гавен RT; Аль-Басам, Ахмед З.М.; Харрис, Роберт С.; Эбботт, Эндрю П.; Смит, Дэниел Дж.; Холвелл, Дэвид А.; Чепмен, Роберт Дж.; Стэнли, Кристофер Дж. (март 2016 г.). «Применение глубоких эвтектических растворяющих ионных жидкостей для экологически чистого растворения и восстановления драгоценных металлов» . Минеральное машиностроение . 87 : 18–24. Бибкод : 2016MiEng..87...18J . дои : 10.1016/j.mineng.2015.09.026 . hdl : 10141/603645 .
- ^ Алблер, Франциска-Джейн; Бика, Катарина; Форман, Марк Р. Ст.Дж.; Хольгерссон, Стеллан; Тюменцев, Михаил С. (20 ноября 2017 г.). «Сравнение двух методов извлечения кобальта из глубокого эвтектического растворителя: последствия для переработки аккумуляторов». Журнал чистого производства . 167 : 806–814. дои : 10.1016/j.jclepro.2017.08.135 .
- ^ Форман, Марк Р.СтДж. (31 декабря 2016 г.). «Прогресс в процессе переработки никель-металлогидридных электрических элементов с использованием глубокого эвтектического растворителя» . Грамотная химия . 2 (1): 1139289. дои : 10.1080/23312009.2016.1139289 . S2CID 21834215 .
- ^ Форман, Марк Р. Сент-Джей; Хольгерссон, Стеллан; Макфи, Конор; Тюменцев, Михаил С. (29 января 2018 г.). «Коэффициенты активности глубоких эвтектических растворителей: значение для экстракции металлов растворителями». Новый химический журнал . 42 (3): 2006–2012. дои : 10.1039/C7NJ03736H .
- ^ Цен, Пэн; Спахиу, Кастриот; Тюменцев Михаил С.; Форман, Марк Р. Ст. Дж. (2020). «Извлечение металлов из глубокого эвтектического растворителя, взгляд на деятельность» . Физическая химия Химическая физика . 22 (19): 11012–11024. Бибкод : 2020PCCP...2211012C . дои : 10.1039/C9CP05982B . ПМИД 32367089 . S2CID 218504859 .
- ^ Рахман, Шахриар Муфид; Мохд Саид, Сухана Бинти; Субраманиан, Баламуруган; Лонг, Буй Дык; Карим, Мухтар А.; Соин, Норхайати (3 августа 2016 г.). «Синтез и характеристика полимерного электролита с использованием глубоких эвтектических растворителей и электропряденой мембраны из поливинилового спирта». Исследования в области промышленной и инженерной химии . 55 (30): 8341–8348. doi : 10.1021/acs.iecr.6b01754 .