CN102887850A - 含吡咯烷离子液体、其制备方法和应用 - Google Patents
含吡咯烷离子液体、其制备方法和应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明适用于化学新材料领域,提供了一种含吡咯烷离子液体、其制备方法和应用。本发明含吡咯离子液体,具有如下结构式。本发明含吡咯烷离子液体,通过在阳离子中引入C-O醚键,使离子液体的性能大大增强,一方面使其熔点显著降低,另一方面提升其在电化学应用中与锂离子的络合能力。本发明含吡咯烷离子液体制备方法,操作简单、成本低廉,对环境友好,非常适于工业化生产。
Description
技术领域
本发明属于化学新材料领域,尤其涉及一种含吡咯烷离子液体、其制备方法和应用。
背景技术
离子液体(Ionic liquids)是指在室温范围内(一般为100℃以下)呈液态,由有机阳离子和无机阴离子(或有机阴离子)构成的。与传统的有机溶剂和电解质相比,离子液体具有一系列突出的优点:(1)熔点低于或接近室温,呈液态的温度范围宽;(2)蒸气压低、几乎不挥发、无色、无嗅;(3)具有较大的稳定温度范围,较好的化学稳定性及较宽的电化学稳定电位窗口;(4)良好的溶解特性,对很多无机物和有机物都表现出良好的溶解能力;(5)无着火点且不易燃烧;(6)可循环使用,不污染环境等。但是目前,离子液体制备方法操作复杂,成本高,所制备的离子液体熔点偏高,这大大限制了离子液体的应用。
发明内容
有鉴于此,本发明实施例提供一种含吡咯烷离子液体,解决现有离子液体熔点偏高的技术问题,以及该离子液体制备方法和应用。
本发明是这样实现的,
一种含吡咯烷离子液体,具有如下结构式(I):
其中,R为甲氧基乙氧基甲基,Y选自BF4 -、PF6 -、(CF3SO2)2N-、CF3SO3 -中的一种。
以及,
一种含吡咯烷离子液体制备方法,包括如下步骤:
无水无氧条件下,将N-甲基吡咯烷和卤代烷按摩尔比1∶1.05-1∶1.2混合,在温度为60-80℃条件下搅拌反应48-72小时,洗涤得到结构式(III)表示的N-甲氧基乙氧基甲基-N-甲基吡咯烷卤化物,其中,该卤代烷选自甲氧基乙氧基氯甲烷、甲氧基乙氧基溴甲烷或甲氧基乙氧基碘甲烷中一种,结构式(III)为:
将该结构式(III)表示的N-甲氧基乙氧基甲基-N-甲基吡咯烷卤化物和无机盐溶于水中,搅拌反应8-24小时,得到含吡咯烷离子液体,其中,该无机盐中阴离子为BF4 -、PF6 -、(CF3SO2)2N-或CF3SO3 -;R为甲氧基乙氧基甲基;X为氯、溴或碘,反应式表示为:
本发明实施例进一步提供上述含吡咯烷离子液体在超级电容器或电池中的应用。
本发明实施例含吡咯烷离子液体,通过在阳离子中引入C-O醚键,使离子液体的性能大大增强,一方面使其熔点显著降低,另一方面提升其在电化学应用中与锂离子的络合能力。本发明实施例含吡咯烷离子液体制备方法,操作简单、成本低廉,对环境友好,非常适于工业化生产。
附图说明
图1是本发明实施例含吡咯烷离子液体制备方法流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
本发明实施例提供一种含吡咯烷离子液体,具有如下结构式(I):
其中,R为甲氧基乙氧基甲基,Y选自BF4 -、PF6 -、(CF3SO2)2N-、CF3SO3 -中的一种。
具体地,本发明实施例含吡咯烷离子液体由阳离子和阴离子构成,该阳离子结构式(II)如下:
其中,R为甲氧基乙氧基甲基,X选自氯、溴或碘;该阴极离子选自BF4 -、PF6 -、(CF3SO2)2N-或CF3SO3 -中的一种。本发明实施例含吡咯烷离子液体,通过引入醚键C-O,使其熔点显著下降;同时使其与锂离子的结合能力大大增强,增强了该离子液体在电化学反应中的作用。
请参阅图1,图1显示本发明实施例含吡咯烷离子液体制备方法流程图,包括如下步骤:
步骤S01,制备N-甲氧基乙氧基甲基-N-甲基吡咯烷卤化物
无水无氧条件下,将N-甲基吡咯烷和卤代烷按摩尔比1∶1.05-1∶1.2混合,在温度为60-80℃条件下搅拌反应48-72小时,洗涤得到结构式(III)表示的N-甲氧基乙氧基甲基-N-甲基吡咯烷卤化物,其中,该卤代烷选自甲氧基乙氧基氯甲烷、甲氧基乙氧基溴甲烷或甲氧基乙氧基碘甲烷中一种,结构式(III)为:
步骤S02,制备含吡咯烷离子液体
将该结构式(III)表示的N-甲氧基乙氧基甲基-N-甲基吡咯烷卤化物和无机盐溶于水中,搅拌反应8-24小时,得到含吡咯烷离子液体,其中,该无机盐中阴离子为BF4 -、PF6 -、(CF3SO2)2N-或CF3SO3 -;R为甲氧基乙氧基甲基;X为氯、溴或碘,反应式表示为:
具体地,步骤S01中,N-甲基吡咯烷和卤代烷反应合成N-甲氧基乙氧基甲基-N-甲基吡咯烷卤化物。其中,该无氧条件没有限制,例如,在氮气、氩气、氦气等惰性气体的保护下进行操作;该卤代烷(RX)选自甲氧基乙氧基氯甲烷、甲氧基乙氧基溴甲烷或甲氧基乙氧基碘甲烷,具体地,R为甲氧基乙氧基甲基,X为氯、溴或碘;该吡咯烷和卤代烷的摩尔比例为1∶1.05-1∶1.2,优选为1∶1.1;本步骤S01反应温度为60-80℃,优选为60-70℃;反应时间为48-72小时,优选为48-60小时;步骤S01的反应在搅拌条件下进行,具体搅拌方式没有限制。反应完成后,静置冷却,将反应产物用乙酸乙酯洗涤3次以上,然后在80℃以上真空环境中干燥完全,得到黄色固体即是结构式(III)表示的N-甲氧基乙氧基甲基-N-甲基吡咯烷卤化物。该甲氧基乙氧基氯甲烷结构式为:
该甲氧基乙氧基溴甲烷结构式为:
本步骤S01反应式表示为:
具体地,步骤S02中,通过离子交换反应,将N-甲氧基乙氧基甲基-N-甲基吡咯烷卤化物中的卤素离子换成目标阴离子,生成目标产物。该无机盐(MY)中的阳离子(M)选自Na+、K+或NH4 +中的一种,阴离子(Y)选自BF4 -、PF6 -、(CF3SO2)2N-或CF3SO3 -中的一种,该阳离子和阴离子的组合方式没有限制,例如,NaBF4、Na(CF3SO2)2N、K PF6、K CF3SO3、NH4CF3SO3;本步骤S02反应温度为室温,具体没有限制,例如20℃,反应时间为8-24小时,优选为8-16小时;结构式(III)表示的N-甲氧基乙氧基甲基-N-甲基卤化物和无机盐摩尔比为1∶1。该反应也在搅拌条件下进行,具体搅拌方式没有限制。反应完成后,将反应产物进行萃取、反萃取、浓缩及干燥,具体为,将反应后产物用二氯甲烷萃取三次以上,合并萃取液,然后用去离子水反萃取,直至用饱和的硝酸银水溶液滴定水相,没有沉淀产生为止,收集有机相(二氯甲烷相),用旋转蒸发仪将浓缩,然后在80℃以上真空环境中干燥48小时,得到无色液体,即含吡咯烷离子液体。
本发明实施例含吡咯烷离子液体制备方法,通过在制备N-甲氧基乙氧基甲基-N-甲基吡咯烷卤化物的步骤中,向N-甲氧基乙氧基甲基-N-甲基吡咯烷卤化物中引入醚键(C-O),使得所制备的含吡咯烷离子液体性能大大增强,一方面使其熔点显著降低,另一方面提升其在电化学应用中与锂离子的络合能力;本发明实施例含吡咯烷离子液体制备方法,生产效益高,对环境友好,生产效益高,非常适于工业化生产。
本发明实施例进一步提供上述含吡咯烷离子液体在超级电容器或电池中的应用。
以下结合具体实施例对上述含吡咯烷离子液体制备方法进行详细阐述。
下述实施例一至七中,R均为甲氧基乙氧基甲基(即-C4H9O2),其结构式为:-CH2-O-CH2-CH2-O-CH3。
实施例一
本发明实施例含吡咯离子液体具有如下结构式:
本发明实施例含吡咯离子液体制备方法,包括如下步骤:
步骤一、制备氯化N-甲氧基乙氧基甲基-N-甲基吡咯烷
在N2(或Ar2)氛围保护下,将N-甲基吡咯烷(85g,1mol)和甲氧基乙氧基氯甲烷(136.4g,1.1mol)加入至反应器中,将温度调整至60℃,搅拌反应48小时;静置冷却,然后将反应产物用乙酸乙酯洗涤三次,在80℃下真空干燥,得到浅黄色的固体,产率为83%;
步骤二、制备N-甲氧基乙氧基甲基-N-甲基吡咯烷四氟硼酸盐
将步骤一得到的氯化N-甲氧基乙氧基甲基-N-甲基吡咯烷(104.5g,0.5mol)、NaBF4(55g,0.5mol),以及100mL去离子水加入至反应器中,在室温下搅拌8小时,将反应后溶液用250mL二氯甲烷萃取3次,合并萃取液,然后用60mL去离子水反萃多次,直至用饱和的AgNO3水溶液滴定水相无沉淀产生为止,收集二氯甲烷相,将该二氯甲烷相用旋转蒸发仪浓缩,再进行80℃真空干燥48小时,得到无色液体,即N-甲氧基乙氧基甲基-N-甲基吡咯烷四氟硼酸盐(含吡咯烷离子液体)。
1H NMR(CDCl3,400MHz,ppm):4.68(s,2H),3.84(m,2H),3.38(m,2H),3.24(s,3H),2.53(s,3H),1.98(m,4H),1.82(m,4H)。
实施例二
本发明实施例含吡咯离子液体具有如下结构式:
本发明实施例含吡咯离子液体制备方法,包括如下步骤:
步骤一、制备溴化N-甲氧基乙氧基甲基-N-甲基吡咯烷
在N2(或Ar2)氛围保护下,将N-甲基吡咯烷(79g,1mol)和甲氧基乙氧基溴甲烷(184.8g,1.1mol)加入至反应器中,将温度调整至70℃,搅拌反应60小时;静置冷却,然后将反应产物用乙酸乙酯洗涤三次,在80℃下真空干燥,得到浅黄色的固体,产率为87%;
步骤二、制备N-甲氧基乙氧基甲基-N-甲基吡咯烷四氟硼酸盐
将步骤一得到的溴化N-甲氧基乙氧基甲基-N-甲基吡咯烷(0.5mol)、NaBF4(55g,0.5mol),以及125mL去离子水加入至反应器中,在室温下搅拌16小时,将反应后溶液用250mL二氯甲烷萃取3次,合并萃取液,然后用60mL去离子水反萃多次,直至用饱和的AgNO3水溶液滴定水相无沉淀产生为止,收集二氯甲烷相,将该二氯甲烷相用旋转蒸发仪浓缩,再进行80℃真空干燥48小时,得到无色液体,即制备N-甲氧基乙氧基甲基-N-甲基吡咯烷四氟硼酸盐(含吡咯烷离子液体)。
实施例三
本发明实施例含吡咯离子液体具有如下结构式:
本发明实施例含吡咯离子液体制备方法,包括如下步骤:
步骤一、制备氯化N-甲氧基乙氧基甲基-N-甲基吡咯烷在N2(或Ar2)氛围保护下,将N-甲基吡咯烷(79g,1mol)和甲氧基乙氧基氯甲烷(130.2g,1.05mol)加入至反应器中,将温度调整至80℃,搅拌反应72小时;静置冷却,然后将反应产物用乙酸乙酯洗涤三次,在80℃下真空干燥,得到浅黄色的固体,产率为84%;
步骤二、制备N-甲氧基乙氧基甲基-N-甲基咯烷六氟磷酸盐
将步骤一得到的氯化N-甲氧基乙氧基甲基-N-甲基吡咯烷(112.5g,0.5mol)、KPF6(92g,0.5mol),以及150mL去离子水加入至反应器中,在室温下搅拌24小时,将反应后溶液用250mL二氯甲烷萃取3次,合并萃取液,然后用60mL去离子水反萃多次,直至用饱和的AgNO3水溶液滴定水相无沉淀产生为止,收集二氯甲烷相,将该二氯甲烷相用旋转蒸发仪浓缩,再进行80℃真空干燥48小时,得到无色液体,即N-甲氧基乙氧基-N甲基吡咯烷六氟磷酸盐(含吡咯烷离子液体)。
实施例四
本发明实施例含吡咯离子液体具有如下结构式:
本发明实施例含吡咯离子液体制备方法,包括如下步骤:
步骤一、制备溴化N-甲氧基乙氧基甲基-N-甲基吡咯烷
在N2(或Ar2)氛围保护下,将N-甲基吡咯烷(79g,1mol)和甲氧基乙氧基溴甲烷(176.4g,1.05mol)加入至反应器中,将温度调整至65℃,搅拌反应56小时;静置冷却,然后将反应产物用乙酸乙酯洗涤三次,在80℃下真空干燥,得到浅黄色固体,产率为84%;
步骤二、制备N-甲氧基乙氧基甲基-N-甲基吡咯烷六氟磷酸盐
将步骤一得到的溴化N-甲氧基乙氧基甲基-N-甲基吡咯烷(0.5mol)、KPF6(92g,0.5mol),以及120mL去离子水加入至反应器中,在室温下搅拌12小时,将反应后溶液用250mL二氯甲烷萃取3次,合并萃取液,然后用60mL去离子水反萃多次,直至用饱和的AgNO3水溶液滴定水相无沉淀产生为止,收集二氯甲烷相,将该二氯甲烷相用旋转蒸发仪浓缩,再进行80℃真空干燥48小时,得到无色液体,即N-甲氧基乙氧基甲基-N-甲基吡咯烷六氟磷酸盐(含吡咯烷离子液体)。
实施例五
本发明实施例含吡咯离子液体具有如下结构式:
本发明实施例含吡咯离子液体制备方法,包括如下步骤:
步骤一、制备氯化N-甲氧基乙氧基甲基-N-甲基吡咯烷
在N2(或Ar2)氛围保护下,将N-甲基吡咯烷(79g,1mol)和甲氧基乙氧基氯甲烷(148.8g,1.2mol)加入至反应器中,将温度调整至75℃,搅拌反应56小时;静置冷却,然后将反应产物用乙酸乙酯洗涤三次,在80℃下真空干燥,得到浅黄色的固体,产率为86%;
步骤二、制备N-甲氧基乙氧基甲基-N-甲基吡咯烷三氟甲磺酰亚胺盐
将步骤一得到的氯化N-甲氧基乙氧基甲基-N-甲基吡咯烷(112.5g,0.5mol)、三氟甲磺酰亚胺钾TFSI-K(55g,0.5mol),以及135mL去离子水加入至反应器中,在室温下搅拌16小时,将反应后溶液用250mL二氯甲烷萃取3次,合并萃取液,然后用60mL去离子水反萃多次,直至用饱和的AgNO3水溶液滴定水相无沉淀产生为止,收集二氯甲烷相,将该二氯甲烷相用旋转蒸发仪浓缩,再进行80℃真空干燥48小时,得到无色液体,即N-甲氧基乙氧基甲基-N-甲基吡咯烷三氟甲磺酰亚胺盐(含吡咯烷离子液体)。
实施例六
本发明实施例含吡咯离子液体具有如下结构式:
本发明实施例含吡咯离子液体制备方法,包括如下步骤:
步骤一、制备溴化N-甲氧基乙氧基甲基-N-甲基吡咯烷
在N2(或Ar2)氛围保护下,将N-甲基吡咯烷(79g,1mol)和甲氧基乙氧基溴甲烷(176.4g,1.05mol)加入至反应器中,将温度调整至72℃,搅拌反应64小时;静置冷却,然后将反应产物用乙酸乙酯洗涤三次,在80℃下真空干燥,得到浅黄色固体,产率为84%;
步骤二、制备N-甲氧基乙氧基甲基-N-甲基吡咯烷三氟甲磺酸盐
将步骤一得到的溴化N-甲氧基乙氧基甲基-N-甲基吡咯烷(0.5mol)、CF3SO3Na(86g,0.5mol),以及145mL去离子水加入至反应器中,在室温下搅拌18小时,将反应后溶液用250mL二氯甲烷萃取3次,合并萃取液,然后用60mL去离子水反萃多次,直至用饱和的AgNO3水溶液滴定水相无沉淀产生为止,收集二氯甲烷相,将该二氯甲烷相用旋转蒸发仪浓缩,再进行80℃真空干燥48小时,得到无色液体,即N-甲氧基乙氧基甲基-N-甲基吡咯烷三氟甲磺酸盐(含吡咯烷离子液体)。
实施例七
本发明实施例含吡咯离子液体具有如下结构式:
本发明实施例含吡咯离子液体制备方法,包括如下步骤:
步骤一、制备碘化N-甲氧基乙氧基甲基-N-甲基吡咯烷
在N2(或Ar2)氛围保护下,将N-甲基吡咯烷(79g,1mol)和甲氧基乙氧基碘甲烷(237.6g,1.1mol)加入至反应器中,将温度调整至70℃,搅拌反应58小时;静置冷却,然后将反应产物用乙酸乙酯洗涤三次,在80℃下真空干燥,得到浅黄色固体,产率为85%;
步骤二、制备N-甲氧基乙氧基甲基-N-甲基吡咯烷三氟甲磺酸盐
将步骤一得到的碘化N-甲氧基乙氧基甲基-N-甲基吡咯烷(0.5mol)、CF3SO3Na(86g,0.5mol),以及145mL去离子水加入至反应器中,在室温下搅拌18小时,将反应后溶液用250mL二氯甲烷萃取3次,合并萃取液,然后用60mL去离子水反萃多次,直至用饱和的AgNO3水溶液滴定水相无沉淀产生为止,收集二氯甲烷相,将该二氯甲烷相用旋转蒸发仪浓缩,再进行80℃真空干燥48小时,得到无色液体,即N-甲氧基乙氧基甲基-N-甲基吡咯烷三氟甲磺酸盐(含吡咯烷离子液体)。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
2.一种含吡咯烷离子液体制备方法,包括如下步骤:
无水无氧条件下,将N-甲基吡咯烷和卤代烷按摩尔比1∶1.05-1∶1.2混合,在温度为60-80℃条件下搅拌反应48-72小时,洗涤得到结构式(III)表示的N-甲氧基乙氧基甲基-N-甲基吡咯烷卤化物,其中,所述卤代烷选自甲氧基乙氧基氯甲烷、甲氧基乙氧基溴甲烷或甲氧基乙氧基碘甲烷中一种,结构式(III)为:
将所述结构式(III)表示的N-甲氧基乙氧基甲基-N-甲基吡咯烷卤化物和无机盐溶于水中,搅拌反应8-24小时,得到含吡咯烷离子液体,其中,所述无机盐中阴离子为BF4 -、PF6 -、(CF3SO2)2N-或CF3SO3 -;R为甲氧基乙氧基甲基;X为氯、溴或碘,反应式表示为:
3.如权利要求2所述的含吡咯烷离子液体制备方法,其特征在于,所述N-甲基吡咯烷和卤代烷摩尔比为1∶1.05-1∶1.2。
4.如权利要求2所述的含吡咯烷离子液体制备方法,其特征在于,所述吡咯烷和卤代烷反应温度为60-80℃。
5.如权利要求2所述的含吡咯烷离子液体制备方法,其特征在于,所述吡咯烷和卤代烷反应时间为48-72小时。
6.如权利要求2所述的含吡咯烷离子液体制备方法,其特征在于,所述结构式(III)表示的N-甲氧基乙氧基甲基-N-甲基卤化物和无机盐摩尔比为1∶1。
7.如权利要求2所述的含吡咯烷离子液体制备方法,其特征在于,所述阳离子为Na+、K+或NH4 +。
8.如权利要求2所述的含吡咯烷离子液体制备方法,其特征在于,所述结构式(III)表示的N-甲氧基乙氧基甲基-N-甲基卤化物和无机盐的反应时间为8-24小时。
9.如权利要求2所述的含吡咯烷离子液体制备方法,其特征在于,所述结构式(III)表示的N-甲氧基乙氧基甲基-N-甲基卤化物和无机盐的反应步骤后,还包括将反应后溶液进行萃取、反萃取、浓缩及干燥。
10.如权利要求1所述的含吡咯烷离子液体在超级电容器或电池中的应用。
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