CN105903316A - 含n-官能化咪唑的系统及使用方法 - Google Patents

含n-官能化咪唑的系统及使用方法 Download PDF

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Abstract

本文描述了含有咪唑或咪唑和胺的掺合物的系统。本文还描述了其制备和使用方法。使用所述系统的方法包括减少来自气体流和液体流的挥发性化合物。

Description

含N-官能化咪唑的系统及使用方法
本申请是2012年3月27日提交的名称为“含N-官能化咪唑的系统及使用方法”的201280025608.9发明专利申请的分案申请。
与优先权申请的交叉引用
本申请要求2011年3月28日提交的美国临时申请No.61/468,314的优先权利益，其通过引用整体并入本文。
技术领域
本文公开的主题一般涉及含有咪唑或咪唑-胺掺合物的系统及其制备方法。同样，本文所述主题一般涉及使用本文所述系统捕获并减少来自气体流和液体流的挥发性化合物的方法。
背景技术
全世界对捕获并隔离或再利用二氧化碳(CO2)排放物以稳定气候很有兴趣。在整个天然气产业广泛使用的经由化学反应减少来自气体流的CO2的水胺法代表评价CO2捕获技术的基准(NETL，Carbon Sequestration Technology Roadmap and Program Plan(2007)；Rochelle,G.T.，“Amine Scrubbing for CO2Capture,”Science,325:1652-1654(2009))。虽然减少来自气体流的CO2有效，但是胺法是高能源密集型，胺再生期间许多能源损耗是由于沸水。因此，水胺法将自然遭受大能源损耗。然而，有很少或没有挥发性的新溶剂可提供期望的能源效率。
离子液体作为CO2捕获的溶剂已经受到重大关注(Bara,J.E.等，“Guide to CO2Separations in Imidazolium-based Room-Temperature Ionic Liquids,”Ind.Eng.Chem.Res.,48:2739-2751(2009))。因为离子液体不挥发，所以它们潜在地提供了大大提高的能源效率。然而，由于其物理和热力学性质的限制，离子液体用于CO2捕获的使用尚未扩大。关于一直引用的离子液体的问题是CO2载量非常低、粘度高和成本极高(NETL,Existing Plants,Emissions and Capture–Setting CO2Program Goals,DOE/NETL-2009/1366)。离子液体中胺官能的包含(即，“特定任务”离子液体)或使离子液体与商品胺例如单乙醇胺(MEA)掺合大大提高了溶剂的CO2容量并且还降低了能源需要(NETL,Existing Plants,Emissions and Capture–Setting CO2Program Goals,DOE/NETL-2009/1366；Camper,D.等，“Room-Temperature Ionic Liquid–Amine Solutions:Tunable Solvents for Efficient and Reversible Capture of CO2,”Ind.Eng.Chem.Res.,47:8496-8498(2008))。虽然使用离子液体-胺掺合物有希望，但是需要克服离子液体的粘度和成本限制的替代挥发性溶剂。
发明内容
根据如本文具体化和大致描述的公开材料、化合物、组合物和方法的目的，公开的主题一方面涉及化合物和组合物及制备和使用此类化合物和组合物的方法。另一方面，公开的主题涉及可用于工业和商业天然气生产和发电行业中挥发性化合物的捕获的系统。更具体地，本文描述了用于减少挥发性化合物的系统。所述系统包含N-官能化咪唑并且可任选包括胺。用于公开系统中的N-官能化咪唑在中性条件下为非离子型(例如，在酸性质子不可用的条件下)。在其它实例中，N-官能化咪唑在两个氮原子上未官能化。
本文进一步提供了减少来自流(例如，气体流或液体流)的CO2、SO2或H2S的方法。所述方法包括使所述流与有效量的包含N-官能化咪唑和(任选)胺的系统接触，其中所述N-官能化咪唑在中性条件下为 非离子型。
本文还提供了使天然气进料流脱硫的方法。所述方法包括使天然气进料流与有效量的本文所述系统接触以形成净化天然气进料流和富气系统并且使净化天然气进料流与富气系统分离。所述方法可进一步包括通过，例如，加热或加压所述富气系统再生所述系统。
另外的优点将部分在以下描述中阐明，并且部分将从描述中显而易见，或可通过下述方面的实践学习到。通过所附权利要求中特别指出的要素和组合将认识并得到下述优点。应理解，前面的概述和以下详述仅为示例性和说明性而非限制性。
附图说明
并入并构成本说明书的一部分的附图举例说明了本发明的几个方面并与描述一起用于解释本发明的原理。
图1为气体溶解度装置的示意图。
图2为描绘25℃下80:20(v/v)1-丁基咪唑-胺混合物中CO2分压与每个初始胺分子的载量之间的关系的图表。
图3为描绘25-80℃下80:20(v/v)1-丁基咪唑+N-甲基乙醇胺(NMEA)混合物中CO2分压与载量之间的关系的图表。
具体实施方式
参考以下对公开主题的特定方面和本文包括的实施例的详细描述可更易于理解本文所述的材料、化合物、组合物、物品和方法。
在公开和描述现有材料、化合物、组合物、试剂盒和方法之前，应理解下面描述的方面不限于特定合成方法或特定试剂，同样，当然可能不同。还应理解，本文所用术语是仅仅是为了描述特殊方面而非旨在限制。
同样，在整篇说明书中，参考了各种出版物。这些出版物的公开内容整体据此通过引用并入本说明书中，以便更全面地描述公开题材所属领域的技术发展水平。公开的参考文献也通过本文对其中所含的与参考文献连用的句子中讨论的材料的引用单独明确地并入本文。
A.一般定义
在本说明书和以下的权利要求中，将提到许多术语，应定义为具有下列含义：
在本说明书的整个描述和权利要求中，词“包含(comprise)”和所述词的其它形式，例如“包含(comprising)”和“包含(comprises)”，意思是包括但不限于，并非旨在排除(例如)其它添加剂、组分、整数或步骤。
如描述和所附权利要求中所使用，除非上下文另有明确规定，单数形式“一个”、“一种”和“所述”包括复数个指示物。因此，例如，提到“一种组合物”包括两种或更多种此类组合物的混合物，提到“一种化合物”包括两种或更多种此类化合物的混合物等。
“任选”或“任选地”意思是随后描述的事件或情况能或不能发生，并且描述包括所述事件或情况发生的情形和不发生的情形。
本文将范围表示为从“约”一个特定值，和/或至“约”另一个特定值。当表示此类范围时，另一方面包括从所述一个特定值和/或至另一特定值。类似地，通过使用先行词“约”将值表示为近似值时，应理解所述特定值形成另一方面。应进一步理解，每个范围的端点无论是关于另一端点还是独立于另一端点均很重要。还应理解，本文公开了许多值，并且除所述值本身外，本文还将每个值公开为“约”该特定值。例如，如果公开值“10”，则还公开了“约10”。还应理解公开一个值时，则如技术人员所适当理解一样，还公开了“小于或等于”所述值、“大于或等于所述值”和介于值之间的可能范围。例如， 如果公开值“10”，则还公开了“小于或等于10”以及“大于或等于10”。还应理解，在整篇申请中以许多不同格式提供数据并且这种数据表示端点和起点及数据点任何组合的范围。例如，如果公开特定数据点“10”和特定数据点“15”，应理解为视为公开了大于、大于或等于、小于、小于或等于和等于10和15以及介于10和15之间。还应理解，还公开了介于两个特定单位之间的每个单位。例如，如果公开10和15，则还公开了11、12、13和14。
用“减少(reduce)”或所述词的其它形式，例如“减少(reducing)”或“减少(reduction)”指事件或特征(例如，流中的挥发性化合物)的降低。应理解，这通常与一些标准或期望值有关，换言之是相对的，但是对于要提到的标准或相对值而言不一定必需。例如，“减少CO2”意思是相对于标准或对照，减少流中的CO2量。如本文所使用，减少可包括完全去除。在公开的方法中，减少可指与标准或对照相比减少10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％或100％。应理解，“隔离”、“捕获”、“去除”和“分离”与术语“减少”同义使用。
用“处理(treat)”或所述词的其它形式，例如“经处理的(treated)”或“处理(treatment)”指在适当条件下添加或混合两种或更多种化合物、组合物或材料以产生预期产物或效果(例如，减少或消除特定特征或事件，例如CO2减少)。术语“接触”和“反应”与术语“处理”同义使用。
应理解，本说明书从头至尾，标识符“第一”和“第二”只是用于帮助区分公开主题的各种组分和步骤。标识符“第一”和“第二”并非旨在暗示任何特定顺序、数量、对这些术语修饰的组分或步骤的优先选择或重视。
B.化学定义
在说明书和最后的权利要求中提到组合物中特定元素或组分的 重量份表示所述元素或组分与为其表示重量份的组合物或物品中任何其它元素或组分之间的重量关系。因此，在含2个重量份的组分X和5个重量份的组分Y的化合物中，X和Y以2:5的重量比存在，并且不管化合物中是否含有另外的组分均以此比例存在。
除非特别声明相反，组分的重量百分比(wt.％)基于其中包括所述组分的制剂或组合物的总重量。
如本文所使用，术语“离子”指含电荷的任何分子、分子的一部分、分子簇、分子络合物、部分或原子(一个分子、分子簇、分子络合物或部分内正电荷、负电荷或同时两种(例如，两性离子))。
术语“阴离子”是一种类型的离子并且包括在术语“离子”的含义内。“阴离子”是含净负电荷的任何分子、分子的一部分(例如，两性离子)、分子簇、分子络合物、部分或原子。
术语“阳离子”是一种类型的离子并且包括在术语“离子”的含义内。“阳离子”是含净正电荷的任何分子、分子的一部分(例如，两性离子)、分子簇、分子络合物、部分或原子。
如本文所使用，术语“非离子”指没有离子基团或易于在水中基本上电离的基团。“非离子”化合物在中性pH下(例如，在6.7-7.3的pH下)不含电荷。然而，可在酸性或碱性条件下或通过本领域已知的方法，例如质子化、去质子化、氧化、还原、烷基化、乙酰化、酯化、脱酯化、水解等使非离子化合物具有电荷。因此，公开的“非离子”化合物可在(例如)酸性质子可用以质子化所述化合物的条件下变为离子型。
如本文所使用，术语“挥发性化合物”指能够大量蒸发或在环境条件下呈气体存在的化学化合物。在流中发现本文所述“挥发性化合物”并且具有比所述流，例如天然气进料更高的蒸汽压。挥发性化合物的实例包括轻气体和酸性气体，例如CO2、O2、N2、CH4、H2、烃、 H2S、SO2、NO、NO2、COS、CS2等。
如本文所使用，预期术语“取代的”包括有机化合物的所有可容许的取代基。在一个广泛的方面，可容许的取代基包括有机化合物的无环和环状、直链和支链、碳环和杂环及芳族和非芳族取代基。例如，说明性取代基包括下述取代基。可容许的取代基可为一个或多个并且对于适当有机化合物而言相同或不同。为了本公开的目的，杂原子，例如氮可具有氢取代基和/或本文所述有机化合物的满足杂原子的化合价的任何可容许的取代基。并非旨在以任何方式用有机化合物的可容许取代基限制本公开。同样，术语“取代”或“用取代”包括此类取代依照取代原子和取代基的允许化合物，并且取代产生稳定化合物，例如不自发(例如)通过重排、转化、消去等进行转化的化合物的隐含条件。
本文使用“A1”、“A2”、“A3”和“A4”作为表示各种特定取代基的通用符号。这些符号可为任何取代基，不限于本文公开的取代基，并且当在一种情形下将其定义为某些取代基时，在另一情形下可将其定义为一些其它取代基。
如本文所使用，术语“脂族”指非芳族烃基并且包括支链和非支链的烷基、烯基或炔基。
如本文所使用，术语“烷基”为1至24个碳原子的支链或非支链的饱和烃基，例如甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、异丁基、叔丁基、戊基、己基、庚基、辛基、壬基、癸基、十二烷基、十四烷基、十六烷基、二十烷基、二十四烷基等。烷基也可是取代或未取代的。烷基可用一个或多个基团取代，包括但不限于如下所述的烷基、卤代烷基、烷氧基、烯基、炔基、芳基、杂芳基、醛、氨基、羧酸、酯、醚、卤化物、羟基、酮、硝基、甲硅烷基、硫代-氧代、磺酰基、砜、亚砜或巯基。
在整篇说明书中，“烷基”通常用于指未取代的烷基和取代的烷 基；然而，还通过标识所述烷基上的特定取代基具体指出本文中取代的烷基。例如，术语“卤代烷基”具体指用一种或多种卤化物，例如氟、氯、溴或碘取代的烷基。术语“烷氧基烷基”具体指用一个或多个如下所述的烷氧基取代的烷基。术语“烷氨基”具体指用一个或多个如下所述的氨基取代的烷基，等等。当在一种情形下使用“烷基”而在另一情形下使用特定术语例如“烷基醇”，并非意在暗示术语“烷基”不是也指特定术语例如“烷基醇”等。
这种准则也用于本文所述其它基团。即，虽然术语例如“环烷基”指未取代和取代的环烷基部分，但是本文可另外具体标识取代的部分；例如，特定的取代环烷基可称为，例如“烷基环烷基”。类似地，取代的烷氧基可具体称为，例如“卤代烷氧基”，特定的取代烯基可为(例如)“烯醇”，等等。同样，使用通用术语(例如“环烷基”)和特定术语(例如“烷基环烷基”)的准则并非意在暗示通用术语不是也包括特定术语。
如本文所使用，术语“烷氧基”是通过单个末端醚键结合的烷基；即，可将“烷氧基”基团定义为-OA1，其中A1是如以上定义的烷基。
如本文所使用，术语“烯基”是具有2至24个碳原子，结构式含有至少一个碳-碳双键的烃基。不对称结构例如(A1A2)C＝C(A3A4)旨在包括E和Z异构体。这可在本文的结构式中推测出，其中存在不对称烯烃，或可用键符号C＝C明确指出。烯基可用一个或多个基团取代，包括但不限于如下所述的烷基、卤代烷基、烷氧基、烯基、炔基、芳基、杂芳基、醛、氨基、羧酸、酯、醚、卤化物、羟基、酮、硝基、甲硅烷基、硫代-氧代、磺酰基、砜、亚砜或巯基。
如本文所使用，术语“炔基”是具有2至24个碳原子，结构式含有至少一个碳-碳三键的烃基。炔基可用一个或多个基团取代，包括但不限于如下所述的烷基、卤代烷基、烷氧基、烯基、炔基、芳基、杂芳基、醛、氨基、羧酸、酯、醚、卤化物、羟基、酮、硝基、甲硅 烷基、硫代-氧代、磺酰基、砜、亚砜或巯基。
如本文所使用，术语“芳基”是含有任何碳基芳族基的基团，包括但不限于苯、萘、苯基、联苯基、苯氧基苯等。术语“杂芳基”定义为含有具有至少一个杂原子并入芳族基环内的芳族基的基团。杂原子的实例包括但不限于氮、氧、硫和磷。包括在术语“芳基”内的术语“非杂芳基”定义了含有不含杂原子的芳族基的基团。芳基和杂芳基可以是取代或未取代的。芳基和杂芳基可用一个或多个基团取代，包括但不限于如本文所述的烷基、卤代烷基、烷氧基、烯基、炔基、芳基、杂芳基、醛、氨基、羧酸、酯、醚、卤化物、羟基、酮、硝基、甲硅烷基、硫代-氧代、磺酰基、砜、亚砜或巯基。术语“联芳基”是特定类型的芳基并且包括在芳基的定义中。联芳基指如萘中经由稠环结构结合在一起，或如联苯基中经由一个或多个碳-碳键连接的两个芳基。
如本文所使用，术语“环烷基”是由至少三个碳原子构成的非芳族碳基环。环烷基的实例包括但不限于环丙基、环丁基、环戊基、环己基等。术语“杂环烷基”是如以上定义的其中所述环的至少一个碳原子用杂原子，例如但不限于氮、氧、硫或磷取代的环烷基。环烷基和杂环烷基可以是取代或未取代的。环烷基和杂环烷基可用一个或多个基团取代，包括但不限于如本文所述的烷基、烷氧基、烯基、炔基、芳基、杂芳基、醛、氨基、羧酸、酯、醚、卤化物、羟基、酮、硝基、甲硅烷基、硫代-氧代、磺酰基、砜、亚砜或巯基。
如本文所使用，术语“环烯基”是由至少三个碳原子构成并且含有至少一个双键，即C＝C的非芳族碳基环。环烯基的实例包括但不限于环丙烯基、环丁烯基、环戊烯基、环戊二烯基、环己烯基、环己二烯基等。术语“杂环烯基”是一类如以上定义的环烯基，并且包括在术语“环烯基”的含义内，其中所述环的至少一个碳原子用杂原子，例如但不限于氮、氧、硫或磷取代。环烯基和杂环烯基可以是取代或未取代的。环烯基和杂环烯基可用一个或多个基团取代，包括但不限 于如本文所述的烷基、烷氧基、烯基、炔基、芳基、杂芳基、醛、氨基、羧酸、酯、醚、卤化物、羟基、酮、硝基、甲硅烷基、硫代-氧代、磺酰基、砜、亚砜或巯基。
本文使用术语“环状基团”指芳基或非芳基(即，环烷基、杂环烷基、环烯基和杂环烯基)或二者。环状基团具有一个或多个可以是取代或未取代的环系。环状基团可含有一个或多个芳基、一个或多个非芳基，或一个或多个芳基和一个或多个非芳基。
如本文所使用的术语“醛”用式—C(O)H表示。本说明书从头至尾，“C(O)”或“CO”是C＝O的速记符号。
如本文所使用的术语“氨基”用式—NA1A2表示，其中A1和A2可各自为如本文所述的取代基团，例如上述的氢、烷基、卤代烷基、烯基、炔基、芳基、杂芳基、环烷基、环烯基、杂环烷基或杂环烯基。
如本文所使用的术语“羧酸”用式—C(O)OH表示。如本文所使用的“羧酸酯”或“羧基”用式—C(O)O-表示。
如本文所使用的术语“酯”用式—OC(O)A1或—C(O)OA1表示，其中A1可为上述的烷基、卤代烷基、烯基、炔基、芳基、杂芳基、环烷基、环烯基、杂环烷基或杂环烯基。
如本文所使用的术语“醚”用式A1OA2表示，其中A1和A2可独立地为上述的烷基、卤代烷基、烯基、炔基、芳基、杂芳基、环烷基、环烯基、杂环烷基或杂环烯基。
如本文所使用的术语“酮”用式A1C(O)A2表示，其中A1和A2可独立地为上述的烷基、卤代烷基、烯基、炔基、芳基、杂芳基、环烷基、环烯基、杂环烷基或杂环烯基。
如本文所使用的术语“卤化物”或“卤素”指氟、氯、溴和碘。
如本文所使用的术语“羟基”用式—OH表示。
如本文所使用的术语“硝基”用式—NO2表示。
如本文所使用的术语“甲硅烷基”用式—SiA1A2A3表示，其中A1、A2和A3可独立地为上述的氢、烷基、卤代烷基、烷氧基、烯基、炔基、芳基、杂芳基、环烷基、环烯基、杂环烷基或杂环烯基。
本文使用术语“磺酰基”指用式—S(O)2A1表示的硫代-氧代基团，其中可A1可为上述的氢、烷基、卤代烷基、烯基、炔基、芳基、杂芳基、环烷基、环烯基、杂环烷基或杂环烯基。
如本文所使用的术语“磺酰基氨基”或“磺酰胺”用式—S(O)2NH—表示。
如本文所使用的术语“巯基”用式—SH表示。
如本文所使用的术语“硫代”用式—S—表示。
如本文所使用，其中n为某一整数的“R1”、“R2”、“R3”、“Rn”等可独立地具有一个或多个以上列出的基团。例如，如果R1为直链烷基，烷基的其中一个氢原子可任选地用羟基、烷氧基、胺基、烷基、卤化物等取代。根据所选基团，第一基团可并入第二基团内或，可选地，第一基团可悬挂(即，连接)于第二基团上。例如，关于短语“包含氨基的烷基”，氨基可并入烷基的主链内。可选地，氨基可与烷基的主链连接。所选基团的性质将决定第一基团是嵌入还是连接至第二基团。
应理解，本文提供的化合物可含有手性中心。此类手性中心可具有(R-)或(S-)构型。本文提供的化合物可为对映体纯，或为非对映异构体或对映异构体混合物。
如本文所使用，基本上纯净意思是足够均匀，经标准分析方法， 例如薄层色谱法(TLC)、核磁共振(NMR)、凝胶电泳、高效液相色谱法(HPLC)和质谱法(MS)、气相-色谱质谱法(GC-MS)和本领域技术人员用于评估此类纯度的类似方法测定似乎没有可容易地测出的杂质，或足够纯净以致进一步纯化不会可测出地改变物质的物理和化学性质，例如酶和生物活性。纯化化合物以产生基本上化学纯的化合物的传统和现代方法均为本领域的技术人员所知。然而，基本上化学纯的化合物可为立体异构体的混合物。
除非声明相反，具有仅显示为实线而非楔形或虚线的化学键的公式涵盖每种可能的异构体，例如每种对映异构体、非对映异构体和内消旋化合物及异构体的混合物，例如外消旋或非外消旋混合物。
现将详细参考公开的材料、化合物、组合物、物品和方法的特定方面，在所附实施例中举例说明了其实例。
C.材料和组合物
N-官能化咪唑
本文提供了包含N-官能化咪唑的系统。这些化合物对减少来自气体流和液体流的挥发性化合物，例如二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)、二氧化硫(SO2)、硫化氢(H2S)、一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2)、羰基硫(COS)和二硫化碳(CS2)、硫醇、H2O、O2、H2、N2、C1-C8烃(例如，甲烷和丙烷)、挥发性有机化合物及这些和其它挥发性化合物的混合物有用。N-官能化咪唑在中性条件下为非离子化合物(即，咪唑在中性条件下不含电荷)。中性条件包括无可用质子与N-官能化咪唑反应(即，质子化N-官能化咪唑)的条件。可存在质子，但是系统的条件，包括N-官能化咪唑的碱性，为不发生大量的N-官能化咪唑质子化，即，所述条件不产生咪唑鎓离子。对于N-官能化咪唑的中性条件包括系统的pH从约6.7至约7.3的条件。在一些实例中，系统的pH可为约6.7、约6.8、约6.9、约7.0、约7.1、约7.2、约7.3等，其中任何设定值均可形成范围的上或下端点。本文相对于特定咪唑使 用术语“中性条件”，因此该术语指其中咪唑未质子化(即，成为阳离子型)的条件。例如，系统的pH可从约6.8至约7.2，或从约6.9至约7.1。进一步地，本文所述N-官能化咪唑并非离子液体(即，在所有条件下均含有离子的液体)的组分。
本文所述N-官能化咪唑用式I：
及其衍生物表示。
在式I中，R1为取代或未取代的C1-20烷基、取代或未取代的C2-20烯基、取代或未取代的C2-20炔基、取代或未取代的C1-20杂烷基、取代或未取代的C2-20杂烯基、取代或未取代的C2-20杂炔基、取代或未取代的环烷基、取代或未取代的杂环烷基、取代或未取代的芳基、取代或未取代的杂芳基、取代或未取代的硫代、取代或未取代的氨基、取代或未取代的烷氧基、取代或未取代的芳氧基、甲硅烷基、甲硅烷氧基或氰基。
同样在式I中，R2、R3和R4各自独立地选自氢、卤素、羟基、取代或未取代的C1-20烷基、取代或未取代的C2-20烯基、取代或未取代的C2-20炔基、取代或未取代的C1-20杂烷基、取代或未取代的C2-20杂烯基、取代或未取代的C2-20杂炔基、取代或未取代的环烷基、取代或未取代的杂环烷基、取代或未取代的芳基、取代或未取代的杂芳基、取代或未取代的硫代、取代或未取代的烷氧基、取代或未取代的芳氧基、取代或未取代的氨基、氰基或硝基。
进一步在式I中，相邻R基团，即R1和R2、R1和R4及R2和R3可组合形成取代或未取代的芳基、取代或未取代的杂芳基、取代或未 取代的环烷基、取代或未取代的环烯基、取代或未取代的环炔基、取代或未取代的杂环烷基、取代或未取代的杂环烯基或取代或未取代的杂环炔基。R2、R3、R4和R5也可各自为卤化物、氰基、硝基和其它类似基团。
在一些实施方案中，用式I表示的N-官能化咪唑可选自N-烷基咪唑、N-烯基咪唑、N-炔基咪唑、N-芳基咪唑或其混合物。在式I的一些实例中，R1可为如式I-A表示的未取代的烷基。在式I的其它些实例中，R1可为杂烷基，例如如式I-B表示的乙氧基化基团。在式I的更多些实例中，R1可为取代的烷基，例如分别如式I-C和式I-D表示的氰烷基或羟烷基。
在式I-A中，m为0至20的整数。在式I-B、I-C和I-D中，n、p和q分别独立地为1至20的整数。在一些实施方案中，R2、R3和R4各自为氢。
在式I的一些实例中，R1可为用咪唑基取代的烷基、烯基、炔基、杂烷基、杂烯基、杂炔基、环烷基、杂环烷基、芳基、杂芳基、硫代、 氨基、烷氧基、芳氧基或甲硅烷基以形成双-N-取代的咪唑。例如，式I可用如下所示式I-E表示。
在式I-E中，L选自取代或未取代的C1-20烷基、取代或未取代的C2-20烯基、取代或未取代的C2-20炔基、取代或未取代的C1-20杂烷基、取代或未取代的C2-20杂烯基、取代或未取代的C2-20杂炔基、取代或未取代的环烷基、取代或未取代的杂环烷基、取代或未取代的芳基、取代或未取代的杂芳基、取代或未取代的硫代、取代或未取代的氨基、取代或未取代的烷氧基、取代或未取代的芳氧基或甲硅烷基。
同样在式I-E中，R5、R6和R7各自独立地选自氢、卤素、羟基、取代或未取代的C1-20烷基、取代或未取代的C2-20烯基、取代或未取代的C2-20炔基、取代或未取代的C1-20杂烷基、取代或未取代的C2-20杂烯基、取代或未取代的C2-20杂炔基、取代或未取代的环烷基、取代或未取代的杂环烷基、取代或未取代的芳基、取代或未取代的杂芳基、取代或未取代的硫代、取代或未取代的烷氧基、取代或未取代的芳氧基、取代或未取代的氨基或氰基。
在式I-E的一些实例中，咪唑为咪唑二聚体。换言之，在式I-E的一些实例中，R2和R5为相同取代基，R3和R6为相同取代基，并且R4和R7为相同取代基。
式I的特殊实例包括下列化合物：
在一些实施方案中，含N-官能化咪唑的系统可进一步包含一种或多种胺化合物。所述胺可为伯胺、仲胺、叔胺、环胺或其混合物。本文所述胺可用式II表示：
在式II中，R1、R2和R3可各自独立地选自氢、取代或未取代的C1-20烷基、取代或未取代的C2-20烯基、取代或未取代的C2-20炔基、取代或未取代的C1-20杂烷基、取代或未取代的C2-20杂烯基、取代或未取代的C2-20杂炔基、取代或未取代的环烷基、取代或未取代的杂环烷基、取代或未取代的芳基、取代或未取代的杂芳基、取代或未取代的硫代、取代或未取代的氨基、取代或未取代的烷氧基、取代或未取代的芳氧基、甲硅烷基、甲硅烷氧基或氰基。
在一些实施方案中，所述胺可为伯胺。根据这些实例，R1、R2或R3中的两个为氢而其余基团非氢以形成根据式II-A的化合物。
在式II-A中，R1选自取代或未取代的C1-20烷基、取代或未取代的C2-20烯基、取代或未取代的C2-20炔基、取代或未取代的C1-20杂烷基、取代或未取代的C2-20杂烯基、取代或未取代的C2-20杂炔基、取代或未取代的环烷基、取代或未取代的杂环烷基、取代或未取代的芳基、取代或未取代的杂芳基、取代或未取代的硫代、取代或未取代的氨基、取代或未取代的烷氧基或取代或未取代的芳氧基。如本文所述伯胺的特殊实例包括单乙醇胺(MEA)、二甘醇胺(DGA)、2-氨基-2-甲基丙醇(AMP)和1-(3-氨基丙基)-咪唑(API)。
在一些实施方案中，所述胺可为仲胺，其中R1、R2或R3中的一个为氢而其余两个基团非氢。如本文所述的仲胺可用式II-B表示。
在式II-B中，R1和R2各自独立地选自取代或未取代的C1-20烷基、取代或未取代的C2-20烯基、取代或未取代的C2-20炔基、取代或未取代的C1-20杂烷基、取代或未取代的C2-20杂烯基、取代或未取代的C2-20杂炔基、取代或未取代的环烷基、取代或未取代的杂环烷基、取代或未取代的芳基、取代或未取代的杂芳基、取代或未取代的硫代、取代或未取代的氨基、取代或未取代的烷氧基或取代或未取代的芳氧基。如本文所述仲胺的特殊实例包括N-甲基乙醇胺(NMEA)、二乙醇胺(DEA)和二异丙醇胺(DIPA)。
在更多实施方案中，所述胺可为叔胺，其中如式II-C所示，R1、R2和R3中的每一个均非氢。
在式II-C中，R1、R2和R3各自独立地选自取代或未取代的C1-20烷基、取代或未取代的C2-20烯基、取代或未取代的C2-20炔基、取代或未取代的C1-20杂烷基、取代或未取代的C2-20杂烯基、取代或未取代的C2-20杂炔基、取代或未取代的环烷基、取代或未取代的杂环烷基、取代或未取代的芳基、取代或未取代的杂芳基、取代或未取代的硫代、取代或未取代的氨基、取代或未取代的烷氧基或取代或未取代的芳氧基。叔胺的特殊实例包括N-甲基二乙醇胺(MDEA)。
用于本文所述系统的胺也可包括环胺。根据这些实例，R1、R2或R3中的两个可组合形成取代或未取代的芳基、取代或未取代的杂芳基、取代或未取代的环烷基、取代或未取代的环烯基、取代或未取代的环炔基、取代或未取代的杂环烷基、取代或未取代的杂环烯基或取代或未取代的杂环炔基。环胺可用式II-D表示。
在式II-D中，连接R1和R2的线表示R1和R2之间形成包括R1、N和R2的环状结构的连接(例如，单键或双键)。用于本文所述系统的适合环胺的实例包括取代或未取代的哌嗪(PZ)和未取代的咪唑。
本文所述胺可含有一个氨基官能团(即，可为单胺)或可含有两个氨基官能团(即，可为二胺)，或可含有两个以上的氨基官能团(即，可为多胺)。
系统
本文公开的系统可含有一种或多种N-官能化咪唑和任选地，一种或多种胺。本文所述系统不是离子液体。例如，一种或多种N-官能化咪唑和一种或多种胺的组合并不产生低熔点盐。添加酸性气体(例如，CO2、H2S等)后，系统可含有电荷。进一步地，本文所述系统可蒸馏，然而离子液体不具有这种能力。本文公开的系统可为纯的(即，可由N-官能化咪唑和/或胺组成，无需任何另外的溶剂)或可溶解或分散于一种或多种另外的溶剂中。在一些实施方案中，系统是主要由一种或多种N-官能化咪唑构成的纯系统。主要由N-官能化咪唑构成的系统可含有约3％或更少的杂质(即，基于系统的重量，系统含有约97％或更多、约98％或更多或约99％或更多N-官能化咪唑)。
在一些实施方案中，系统是由如本文所述的一种或多种N-官能化咪唑和如本文所述的一种或多种胺的混合物(即，咪唑-胺掺合物)组成的纯系统。向一种或多种N-官能化咪唑中添加一种或多种胺产生具有低挥发性、低粘度和高CO2容量的系统。可通过改变系统中存在的N-官能化咪唑和胺的比例改变系统的性质。
N-官能化咪唑可包含系统的99％、98％、97％、96％、95％、94％、93％、92％、91％、90％、89％、88％、87％、86％、85％、84％、83％、82％、81％、80％、79％、78％、77％、76％、75％、74％、73％、72％、71％、70％、69％、68％、67％、66％、65％、64％、63％、62％、61％、60％、59％、58％、57％、56％、55％、54％、53％、52％、51％、50％、49％、48％、47％、46％、45％、44％、43％、42％、41％、40％、39％、38％、37％、36％、35％、34％、33％、32％、31％、30％、29％、28％、27％、26％、25％、24％、23％、22％、21％、20％、19％、18％、17％、16％、15％、14％、13％、12％、11％、10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％或1％，其中任何设定值均可形成范围的上或下端点。在更多实例中，N-官能化咪唑可包含系统的1％至99％、10％至90％、20％至80％、30％至70％、40％至60％或50％。例如，N-官能化咪唑可包含系统的67％。
同样，胺可包含系统的99％、98％、97％、96％、95％、94％、93％、92％、91％、90％、89％、88％、87％、86％、85％、84％、83％、82％、81％、80％、79％、78％、77％、76％、75％、74％、73％、72％、71％、70％、69％、68％、67％、66％、65％、64％、63％、62％、61％、60％、59％、58％、57％、56％、55％、54％、53％、52％、51％、50％、49％、48％、47％、46％、45％、44％、43％、42％、41％、40％、39％、38％、37％、36％、35％、34％、33％、32％、31％、30％、29％、28％、27％、26％、25％、24％、23％、22％、21％、20％、19％、18％、17％、16％、15％、14％、13％、12％、11％、10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％或1％，其中任何设定值均可形成范围的上或下端点。在更多实例中，胺可包含系统的1％至99％、10％至90％、20％至80％、30％至70％、40％至60％或50％。例如，胺可包含系统的33％。
在一些实施方案中，系统的N-官能化咪唑与胺之比可为9:1、8:1、7:1、6:1、5:1、4:1、3:1、2:1、1:1等。在其它实施方案中，系统的胺与N-官能化咪唑之比可为9:1、8:1、7:1、6:1、5:1、4:1、3:1、2:1、1:1等。
如上所述，本文所述系统可溶解或分散于一种或多种另外的溶剂中。例如，所述一种或多种N-官能化咪唑或所述一种或多种N-官能化咪唑和一种或多种胺掺合物可与溶剂混合，例如水、四氢呋喃(THF)、二氯甲烷、乙腈、甲苯、二甲亚砜(DMSO)、吡啶、二甲基甲酰胺、二噁烷、二醇溶剂、甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、乙酸乙酯、甲乙酮、丙酮等，以提供系统。在这些实例中，N-官能化咪唑或N-官能化咪唑和胺掺合物可包含系统的约0.1％至约99.9％。例如，N-官能化咪唑或N-官能化咪唑和胺掺合物可包含系统的约99％、98％、97％、96％、95％、94％、93％、92％、91％、90％、89％、88％、87％、86％、85％、84％、83％、82％、81％、80％、79％、78％、77％、76％、75％、74％、73％、72％、71％、70％、69％、68％、67％、66％、65％、64％、63％、62％、61％、60％、59％、58％、57％、56％、55％、54％、53％、52％、51％、50％、49％、48％、47％、46％、45％、44％、43％、 42％、41％、40％、39％、38％、37％、36％、35％、34％、33％、32％、31％、30％、29％、28％、27％、26％、25％、24％、23％、22％、21％、20％、19％、18％、17％、16％、15％、14％、13％、12％、11％、10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％或1％，其中任何设定值均可形成范围的上或下端点。在更多实例中，N-官能化咪唑或N-官能化咪唑和胺掺合物可包含系统的1％至99％、10％至90％、20％至80％、30％至70％、40％至60％或50％。
本文所述系统基本上不含挥发性有机化合物。用基本上不含意指挥发性有机化合物以小于约3％、2％、1％、0.9％、0.8％、0.7％、0.6％、0.5％、0.4％、0.3％、0.2％、0.1％、0.001％、0.0001％的挥发性有机化合物等存在。进一步地，与咪唑鎓类离子液体相比，这些系统特征在于粘度低。例如，本文所述系统的粘度比咪唑鎓类离子液体低至少10倍、9倍、8倍、7倍、6倍、5倍、4倍、3倍或2倍。例如，可根据ASTM D5225-09中描述的方法使用差示粘度计测量本文所述系统的特性粘度。例如，可使用装备有ULA(低粘度)轴的Brookfield DV-II+Pro粘度计测量系统的特性粘度(Brookfield Engineering Laboratories,Inc.；Middleboro,MA)。进一步地，可测量纯系统的特性粘度(即，未添加另外的溶剂)。在一些实施方案中，系统在24℃下的粘度可小于20cP、小于19cP、小于18cP、小于17cP、小于16cP、小于15cP、小于14cP、小于13cP、小于12cP、小于11cP、小于10cP、小于9cP、小于8cP、小于7cP、小于6cP、小于5cP、小于4cP、小于3cP、小于2cP、小于1cP、小于0.9cP、小于0.8cP、小于0.7cP、小于0.6cP、小于0.5cP、小于0.4cP、小于0.3cP、小于0.2cP、小于0.1cP等，其中任何设定值均可形成范围的上或下端点。在更多实施方案中，N-官能化咪唑的粘度可从约0.1cP至约20cp，约0.2cP至约19cP，约0.3cP至约18cP，约0.4cP至约17cP，约0.5cP至约16cP，约0.6cP至约15cP，约0.7cP至约14cP，约0.8cP至约13cP，约0.9cP至约12cP，约1cP至约11cP，约2cP至约10cP，约3cP至约9cP，约4cP至约8cP或约5cP至约7cP。例如，在24℃下，由1-乙基咪唑 构成的系统的粘度为约2.02cP。在另一实例中，在24℃下由1-丁基咪唑构成的系统的粘度为约3.38cP。在又一实例中，在45℃下由1-己基咪唑构成的系统的粘度为约2.99cP。更进一步地，在25℃下由1-辛基咪唑构成的系统的粘度为约7.77cP。
如本领域的技术人员所意识到，可以有机合成领域的技术人员已知的各种方式或其变型制备根据式I的N-官能化咪唑和根据式II的胺。可由易于获得的原材料制备本文所述化合物。最佳反应条件可随使用的特定反应物或溶剂变化，但是此类条件可由本领域的技术人员确定。保护和去保护的使用及适当保护基团的选择可由本领域的技术人员确定。例如，在Wuts和Greene，Protective Groups in Organic Synthesis，第4版，Wiley&Sons,2006中可找到保护基团的化学性质，其通过引用整体并入本文。
式I和式II上的变化包括对每种化合物描述的各种组成的添加、减去或移动。类似地，当分子中存在一个或多个手性中心时，可改变分子的手性。另外，化合物合成可包括各种化学基团的保护和去保护。
用于制备公开化合物的N-官能化咪唑和胺或原材料和试剂可从商业供应商处获得，例如Aldrich Chemical Co.,(Milwaukee,WI)、Acros Organics(Morris Plains,NJ)、Fisher Scientific(Pittsburgh,PA)、Sigma(St.Louis,MO)、Pfizer(New York,NY)、GlaxoSmithKline(Raleigh,NC)、Merck(Whitehouse Station,NJ)、Johnson&Johnson(New Brunswick,NJ)、Aventis(Bridgewater,NJ)、AstraZeneca(Wilmington,DE)、Novartis(Basel,Switzerland)、Wyeth(Madison,NJ)、Bristol-Myers-Squibb(New York,NY)、Roche(Basel,Switzerland)、Lilly(Indianapolis,IN)、Abbott(Abbott Park,IL)、Schering Plough(Kenilworth,NJ)或Boehringer Ingelheim(Ingelheim,Germany)，或通过本领域技术人员已知的方法，按照参考文献中提出的程序制备，例如Fieser和Fieser的Reagents for Organic Synthesis，第1-17卷(John Wiley and Sons，1991)；Rodd的Chemistry of Carbon Compounds，第1-5卷和附录(Elsevier Science Publishers,1989)；Organic Reactions，第1-40卷(John Wiley and Sons,1991)；March的Advanced Organic Chemistry(John Wiley and Sons，第4版)；和Larock的Comprehensive Organic Transformations(VCH Publishers Inc.,1989)。
生成本文所述化合物的反应可在可由有机合成领域的技术人员选择的溶剂中进行。在进行反应的条件，即温度和压力下溶剂可基本上不与原材料(反应物)、中间产物或产物反应。反应可于一种溶剂或一种以上溶剂的混合物中进行。可根据本领域已知的任何适合方法监测产物或中间产物形成。例如，可通过光谱方式，例如核磁共振光谱法(例如，1H或13C)红外光谱法、分光光度法(例如，UV-可见光)或质谱法，或通过色谱法例如高效液相色谱法(HPLC)或薄层色谱法监测产物形成。
如方案1所示，例如，可通过用强碱(例如，氢化钠或氢氧化钠)处理市售咪唑(1)以形成咪唑钠盐(2)制成式I描述的N-取代咪唑。然后可用烷基卤化物处理咪唑钠盐(2)以形成N-烷基化咪唑(3)。类似地，可使用其它有机卤化物代替烷基卤化物提供相应的N-有机取代的咪唑。
方案1
另外，例如，可通过用二卤代烷处理两个当量的咪唑鎓钠盐(2)以形成化合物(4)制成式I-E描述的双-N-取代咪唑(见方案2)。
方案2
进一步地，可根据通过引用并入本文以讲授其N-取代咪唑的合成方法的美国公布的专利申请第2009/0171098号中描述的方法合成根据式I的N-取代咪唑。
可通过本文所述方法制备公开的咪唑-胺掺合物。通常，如本文所述选择用于制备系统的特定N-官能化咪唑和胺。然后，得到特定N-官能化咪唑和胺，它们可结合，产生如本文所述的系统。
提供用于制备系统的N-官能化咪唑和胺一方面取决于所得系统的所需性质。如本文所述，公开组合物可具有多种所需性质(例如，低粘度、低挥发性、高CO2容量等)，这至少部分来自用于制备系统的咪唑和胺的性质。因此，为制备公开系统，选择并提供具有所需性质的一种或多种N-官能化咪唑和具有所需性质的一种或多种胺。提供所需咪唑和胺可根据从业者的偏好和目的，以任何顺序进行。例如，特定咪唑可先提供，特定胺可然后提供。可选地，特定胺可先提供，特定咪唑可然后提供。进一步地，咪唑和胺可同时提供。需要基于咪唑和胺的选择调节的性质可包括(例如)蒸汽压、粘度、密度、热容量、导热性和表面张力。例如，在高压应用中，系统可主要由N-官能化咪唑构成。在低压应用中，系统可包含N-官能化咪唑与一种或多种胺的组合。进一步地，可根据应用的压力水平改变系统中使用的胺。伯(1°)胺，例如单乙醇胺(MEA)或二甘醇胺(DGA)，可适合用于低压应用中。低压应用的实例包括捕获来自发电厂的燃烧后CO2。仲(2°)胺，例如N-甲基乙醇胺(NMEA)或哌嗪(PZ)，或位阻2°胺，例如二异丙醇胺(DIPA)，可适合用于中压至高压应用。中压至高压应用的实例是从天然气中去除CO2。
D.使用系统的方法
如通过引用其挥发性化合物减少的方法和技术并入本文的美国公布的专利申请第2009/0291874号中所述，本文所述系统可用于减少来自流(例如，气体流或液体流)的挥发性化合物。如本文所使用，挥发性化合物可包括在一个来源中发现的分子量低于150g/mol的有害气体组分。例如，挥发性化合物的分子量可低于140g/mol、130g/mol、120g/mol、110g/mol、100g/mol、90g/mol、80g/mol、70g/mol、60g/mol、50g/mol、40g/mol、30g/mol、20g/mol等，其中任何设定值均可形成范围的上或下端点。挥发性化合物的实例包括CO2、CO、COS、H2S、SO2、NO、N2O、硫醇、H2O、O2、H2、N2、C1-C8烃(例如，甲烷和丙烷)、挥发性有机化合物和这些的混合物。
减少来自流中的挥发性化合物的方法可包括使所述流与有效量的如本文所述的系统接触。在一些实施方案中，系统主要由N-官能化咪唑构成。在其它实施方案中，系统含有N-官能化咪唑和胺。例如，可根据这种方法减少来自气体流(例如，天然气流或烟气流)的挥发性化合物。
本文进一步描述了一种使天然气进料流脱硫的方法。所述方法包括使天然气进料流与有效量的如本文所述的系统接触，以形成净化天然气进料流和富气系统。任选地，可使天然气进料流与如本文所述的第二系统接触。天然气进料流与第二系统的接触可在与第一系统接触同时进行(即，可使气体进料流与第一和第二系统接触)或依次进行(即，可在气体进料流已经与第一系统接触之后使气体进料流与第二系统接触)。然后使净化天然气进料流与富气系统分离。在一些实施方案中，减少来自富气系统的挥发性化合物以再生系统。可通过加热或加压富气系统再生系统。
以下实施例旨在进一步举例说明本文所述方法和组合物的某些方面，并非旨在限制权利要求的范围。
实施例
下面提出下列实施例以举例说明根据公开主题的方法和结果。这些实施例并非旨在包括本文公开主题的所有方面，而是举例说明代表性方法和结果。这些实施例并非旨在排除对于本领域技术人员而言显而易见的本发明的等效方案和变化。
已经努力确保关于数字(例如，数量、温度等)的精度，但是应考虑一些误差和偏差。除非另外指出，份为重量份，温度按℃计或为环境温度，而压力为或接近大气压。反应条件，例如组分浓度、温度、压力和可用于最优化由所述工艺获得的产物纯度和产率的其它反应范围和条件有许多变化和组合。最优化此类工艺条件将仅仅需要合理的常规实验。
实施例1：材料
从Sigma-Aldrich(Milwaukee,WI USA)获得1-甲基咪唑(1)并且无需进一步纯化使用。如通过引用整体并入本文以讲授其N-官能化咪唑及其合成的Bara等，“Versatile and Scalable Method for Producing N-Functionalized Imidazoles,”Ind.Eng.Chem.Res.,50(24)；13614-13619(2011)和美国公布的专利申请第2009/0171098号中所述，由咪唑钠(NaIm)和相应的烷基溴合成1-n-烷基咪唑(2-10)。从AirGas(Radnor,PA USA)购买研究级CO2和CH4。
实施例2：密度测量
使用经U形玻璃管的电磁感应振荡工作，自动补偿大气压力变化的Mettler Toledo DM45DeltaRange密度计获得每种1-n-烷基咪唑的密度值。所述密度计可测量最小样品大小为1.2cm3的，在0-3g/cm3范围内的液体样品。对于所有工作温度而言，密度计测量的精度为±0.00005g/cm3。在20-80℃的温度范围内，在10℃增量下记录1-n-烷基咪唑的密度，每种化合物总计密度测量七次。每次运行间用去离子H2O洗涤装置，接着用丙酮冲洗，然后风干。继续下一样品之前，检验清洁空池的密度读数与20℃下空气的密度(0.00120g/cm3)一致。
表1中呈现了在20-80℃的温度范围内1-n-烷基咪唑的测得密度值。
表1
在20-50℃范围内除了1-甲基咪唑外，1-n-烷基咪唑的所有测得密度均小于1.00000g/cm3。对于每种化合物而言，观察到密度随温度升高线性减小，并且在整组的1-n-烷基咪唑中，密度随n-烷基取代基的长度增加而减小。
实施例3：粘度测量
使用Brookfield DV-II+Pro粘度计获得粘度数据。粘度测量基于与预定量的液体接触的一定大小的轴的扭矩值和剪切率。“ULA”轴和夹套样品池用于这些相对低粘度液体(<25cP)，其需要约16cm3的最小样品尺寸。粘度计精度为扭矩测量读数的±1％，读数的可重复性为±0.2％。在20-80℃范围内的十个温度下测量每种1-n-烷基咪唑的粘度。经Brookfield TC-602P循环浴控制夹套样品室的温度，其工作范围为-20-200℃而温度稳定性为±0.01℃。每次运行间通过用去离子水和丙酮冲洗来清洁样品管，接着风干。在运行间隔使粘度计回到零位。
表2中呈现了在20-80℃的温度范围内1-n-烷基咪唑的测得粘度 值。
表2
如表2中可见，十种1-n-烷基咪唑几乎所有的测得粘度均<10cP，而只有1-十四烷基咪唑在30℃以下表现出粘度>20cP。对于每种化合物而言，观察到粘度随温度升高以非线性方式降低。粘度与n-烷基取代基的长度密切相关，虽然在最高温度下减小至3.5×差异，但是在20℃下粘性最低和粘性最高化合物之间有一个数量级的差异。
实施例4：CO2溶解度测量
使用定制装置(图1)，基于研发用于天然气工业的方法测量每种1-n-烷基咪唑中CO2的溶解度(见Bara等，Acc.Chem.Res.2010,43,152–159)。
池体由对接焊接至相应底盖的2.5"OD(6.35cm OD)清洁设备构造而成。1/4"(0.635cm)VCR和1/8"(0.3175cm)管接头焊接至顶盖，并且使用PTFE垫圈和弹簧夹密封容器。清洁设备、垫圈和夹子购自McMaster-Carr。接头套管接头购自Alabama Fluid Systems Technologies(Pelham,AL)。机械工作由Engineering Technical Services在阿拉巴马大学进行。焊接由McAbee Construction(Tuscaloosa,AL) 进行。
在环境温度(25±0.5℃)和经由空气循环控制的温度下进行实验。向池中添加约40mL的目标1-n-烷基咪唑化合物并使用可重复性为8mg的Mettler Toledo XS6002S精密天平记录溶剂的重量。使用如上所述测得的密度值计算溶剂的体积。添加1.75英寸(4.445cm)宽的搅拌棒以确保气相和液相之间完全接触。然后密封容器并且经真空去除残留空气，直至用MKS Baratron压力传感器(读数精度为±0.5％)测量并且在MKS PDR2000A双通道数字电源/读出器上显示，系统压力小于约5托。传感器也与LabView(National Instruments)连接用于系统温度和压力的数字数据采集和视觉监测。然后称密封装置的重量以提供添加CO2之前的皮重，重新连接仪表，然后将装置固定在搅拌板上方。在3-7atm之间的压力下向池内添加CO2，并且记录添加的CO2的平衡压力和重量。通过10分钟读出器上和来自数据采集软件的稳定压力读数(±2托)确定确认已经达到平衡。因为溶剂粘度低，并且可搅拌容器，通常在<30分钟内达到平衡。
选择3atm的CO2压力作为起始点以便确保已经添加了足够量的CO2以远离平衡误差。40mL溶剂中每个CO2大气压力下吸收了约350-400mg的CO2。由质量增加量和CO2的分子量(44.01g/mol)计算添加到容器中的CO2摩尔数(nCO2)。从空池体积中减去搅拌棒和溶剂的体积，并应用理想气体定律计算汽相中的CO2摩尔数(nv CO2)(方程式1)。
将液相中的CO2摩尔数当作从向池中添加的CO2总摩尔数中减去汽相中的摩尔数(方程式2)。
n CO 2 l = n CO 2 - n CO 2 v - - - ( 2 )
发现使用这种装置和技术的可重复性误差为±4％，这与先前描述的对IL进行类似气体溶解度测量的类似设备的误差一致。见，例如，Bara等，Acc.Chem.Res.2010,43,152–159；Armand等，Nat.Mater.2009,8,621-629；和McCabe等，Unit Operations of Chemical Engineering，第6版；McGraw-Hill:Boston,2001。
假设添加CO2后溶剂密度恒定(即，未膨胀)。发现每种1-n-烷基咪唑中CO2的溶解度在检查压力范围内呈线性，并且由以下关系(方程式3)计算亨利定律(Henry’s Law)常数(H(atm))：
根据方程式4，按每个大气压每cm3的1-n-烷基咪唑(cm3咪唑)溶解的CO2的标准立方厘米数(cm3(STP))计算体积溶解度(S)：
(4)
表3中呈现了根据亨利常数(H(atm))和体积溶解度(S)，在低压和25±0.5℃下1-n-烷基咪唑中CO2的溶解度数据。
表3
1-n-烷基咪唑 HCO2(atm) S(cm3(STP)cm-3atm-1)
1-甲基 109±2 2.71±0.04
2-乙基 97.9±0.6 2.49±0.07
3-丙基 88.9±0.3 2.40±0.06
4-丁基 77.4±2.0 2.31±0.04
5-戊基 70.0±1.3 2.25±0.03
6-己基 67.8±0.8 2.18±0.09
7-辛基 58.3±0.9 2.11±0.04
8-癸基 53.6±0.7 1.99±0.06
9-十二烷基 51.7±1.1 1.82±0.06
10-十四烷基 48.6±1.7 1.77±0.04
不确定性表示与平均值的±1标准偏差。
实施例5：密度和粘度的比较
对于1-n-烷基咪唑而言，密度受n-烷基链的长度和温度影响。观察到温度升高和侧链长度增大均会使密度降低。对于[Cnmim][X]IL家族(例如，[C2mim][BF4]、[C4mim][BF4]、[C6mim][BF4])也观察到类似于1-n-烷基咪唑的趋势，然而在具有相同阳离子的家族中，例如[C4mim][BF4]、[C4mim][PF6]、[C4mim][OTf]等，IL密度还受阴离子性质强烈影响。虽然在指定温度下观察到1-n-烷基咪唑的密度在最低密度和最高密度种类之间仅变化约15％，但是IL的密度可更广泛地变化。例如，在298K下在[C4mim][Tf2N](r＝1.44g/cm3)和[C4mim][dca](r＝1.06g/cm3)的密度中观察到30％差异。对于较小阳离子例如[C2mim]或具有更强氟化作用的阴离子例如双(全氟乙磺酰基)酰亚胺([beti])可能范围更大。在相同温度下所有[Cnmim][X]IL比其1-n-烷基咪唑类似物密度高约10％或更多。
1-n-烷基咪唑与[Cnmim][X]IL之间密度的差异可能影响某些工艺设计考虑(例如，容器中的水头压力、质量流率增大)，差异幅度(10-50％)相对小并且在许多常见有机化合物的范围之内。常见氯化有机溶剂(例如，氯仿)几乎与最高密度IL的密度相同，而溴化化合物(例如，溴仿)可为大多数[Cnmim][X]IL密度的至少两倍。
虽然与从中性1-n-烷基咪唑转变为[Cnmim][X]IL相关的密度变化相对小，但是溶剂粘度受损。从中性1-n-烷基咪唑转变为[Cnmim][X]IL时粘度增加一个数量级或更多。对于1-n-烷基咪唑而言，观察到粘度随链长度增加和温度下降而增大。类似趋势适用于具有相同阴离子[X]的[Cnmim]IL家族。然而，具有相同[Cnmim]阳离子和不同阴离子种类的IL之间的粘度差异可能非常大，跨度近一个数量级。
实施例6：作为燃烧后CO2捕获的助溶剂的1-N-烷基咪唑
为了确定1-n-烷基咪唑是否可用作低压CO2捕获应用的溶剂/试剂，使用如实施例4中描述的相同装置和稍有修改的实验程序测定1-丁基咪唑(37.37g，158.2mmol)和单乙醇胺(MEA)(9.968g，163.2mmol)的混合物(整个混合物约80:20体积/体积)中CO2的吸取量。最初，向池中供给约1000托CO2的CO2流几次。然后关闭阀门并且观察到池内压力减小，直至达到606托的平衡压力。得到池的质量并应用方程式1后，发现液相吸收了118mmol(5.20g)的CO2。
使用1H NMR光谱法进行确定负责过量吸收CO2的准确反应机理的初步尝试。于d6-DMSO中，不用氘化溶剂获得1H NMR光谱。观察到当溶剂已经吸收了小于其理论容量的100％时，最初在6.0-6.5ppm范围内的质子信号向低场位移至在溶剂已经吸收了超过其理论CO2容量的100％时的6.5-7.0ppm范围。化学位移也比CO2经[C6mim][Tf2N]中的MEA捕获时报道的向低场更多，由于MEA-氨基甲酸酯产物的沉淀将其限于0.50mol CO2/mol MEA。对于1-丁基咪唑-MEA溶剂混合物而言，当NMR样品中不包括氘化溶剂时，观察到宽峰在8.5-8.75ppm之间甚至更向低场，这很可能表明1-丁基咪唑与MEA之间的H+交换。这些数据表明，1-丁基咪唑在胺存在下捕获CO2的化学反应中可具有参与性作用。
完成实验并且将液相迅速转移至粘度计中之后立即测量CO2富集溶剂的粘度。虽然大概是由于CO2从反应产物中的损耗，值在几分钟内下降至85cp，但是最初在25℃下测量CO2富集溶液的粘度为约100cp。
1-丁基咪唑-MEA混合物的结果表明，1-n-烷基咪唑的混合物可用作低压CO2捕获的有效溶剂/试剂，特别是当与TSIL化合物比较时，为CO2富集相提供高CO2容量和相对低的粘度。氨基甲酸酯-咪唑鎓盐产物可视为作为CO2、胺和1-n-烷基咪唑之间形成的产物存在的一类可逆IL。
实施例7：CO2和CH4溶解度测量
如以上实施例2中所述，测量1-n-烷基咪唑中CO2和CH4的溶解度。对于CO2和CH4测量均在30、45、60和75℃下进行实验。在30℃下供给初始气体进料，直至压力平衡于选择作为目标压力的约5atm。然后由系统中这个已知的气体质量和加热之后压力的变化计算所有温度的溶解度值(见，例如，Finotello等，“Room-temperature ionic liquids:Temperature dependence of gas solubility selectivity,”Ind.Eng.Chem.Res.,47:3453-3459(2008)，将其并入本文以讲授其气体溶解度测量和计算)。1-n-烷基咪唑化合物的蒸汽压可假定为在实验温度和压力条件下可以忽略，因为与气体的分压相比很低(最高约5mmHg并且通常<1托)并且非常小(约0.1％)(见，例如，Emel’yanenko等，“Building Blocks for ionic liquids:Vapor pressures and vaporization enthalpies of 1-(n-alkyl)-imidazoles,”J.Chem.Thermodyn.,43:1500-1505(2011)；Verevkin等，“Thermodynamics of Ionic Liquids Precursors:1-Methylimidazole,”J.Phys.Chem.B,115:4404-4411(2011))。依据实验参数(即，压力、温度、体积、质量等)的误差传播计算与亨利常数(H)和体积溶解度(S)相关的个别误差，其中量化了与仪表相关的所有误差。在这种方法中，液体中溶解的气体摩尔数和气体的分子量是在测定不确定性程度中要考虑的因素。因为CO2比CH4更易溶并且分子量更大，所以对CO2的测量表现出比对CH4小一个数量级的误差，典型实验误差分别为1-2％和10-15％。CO2溶解度的误差与以上所述一致。
表4中呈现了在介于30和75℃之间的温度下1-n-烷基咪唑中CO2和CH4的亨利常数(Hj(atm))和体积溶解度(Sj)。
表4
a误差表示一个标准偏差。bS[＝](cm3气体(STP))(cm3溶剂)-1atm-1。
表4显示，在任何指定温度下，1-甲基咪唑表现出每体积最高的CO2溶解度和最低的CH4溶解度。1-己基咪唑在相同条件下展示出最大的CH4体积溶解度。每种1-n-烷基咪唑中两种气体的溶解度均随温度升高而降低。作为参考，表1中还呈现了作为亨利常数的摩尔溶解度数据，并且表明CO2在1-辛基咪唑和1-癸基咪唑中最易溶，然而还表明CH4在1-己基咪唑中最易溶。然而，对于较大1-n-烷基咪唑而言，亨利常数越小表示的CO2溶解度越大，主要是由于1-甲基咪唑和1-辛基咪唑之间摩尔质量增加>2倍(即，摩尔体积更大)。因此，体积溶解度数据在形成与常规溶剂IL和聚合物的直接比较中有用(Bara等，“Guide to CO2Separations in Imidazolium-Based Room-Temperature Ionic Liquids,”Ind.Eng.Chem.Res.,48:2739-2751(2009)；Lin等，“Materials selection guidelines for membranes that remove CO2from gas mixtures,”J.Mol.Struct.,739:57-74(2005))。
表4中的溶解度数据表明，在使用物理溶剂从CH4中去除CO2的吸收-再生过程方面，1-甲基咪唑还具有1-n-烷基咪唑溶剂的最大工作容量。在30和75℃之间CO2溶解度降低约60％表明，在中度加热和/或适度真空下CO2可容易地从溶剂解吸附。
随1-n-烷基咪唑的链长度增加，观察到从1-甲基咪唑到1-己基咪唑，CH4溶解度(SCH4)增大，而在1-辛基和1-癸基咪唑中下降。虽然在1-辛基和1-癸基咪唑中整体溶剂环境比在1-乙基咪唑中极性低得多，但是这些溶剂表现出类似的CH4摄取水平。这些趋势表明，在这个家族的分子中越高的烃含量不一定利于CH4溶解，因为链长度增加最终必定限制供CH4溶解的可用空间。
实施例8：1-甲基咪唑与商用物理溶剂法和离子液体的比较
应用于选择用于酸性气体去除的溶剂的一般原则是，极性基团(醚、腈等)利于CO2溶解和CO2/CH4分离(见Bara等，“Guide to CO2Separations in Imidazolium-Based Room-Temperature Ionic Liquids,”Ind.Eng.Chem.Res.,48:2739-2751(2009)；Lin等，“Materials selection guidelines for membranes that remove CO2from gas mixtures,”J.Mol.Struct.,739:57-74(2005))。因此，极性有机溶剂(例如，DMPEG、MeOH等)通常用于天然气脱硫和其它酸性气体去除应用。然而，为待用于商业上可行的工艺中的物理溶剂考虑了多种因素，包括低挥发性、低粘度、稳定性和在有利成本下散装的可用性。此外，由于待处理气体流的差异和/或产品气体的必需纯度，没有一种物理溶剂适于每种气体处理应用。四种利用最多的物理溶剂是聚(乙二醇)的二甲醚(DMPEG)、碳酸丙二酯(PC)、N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)和甲醇(MeOH)，各有其自身的能力和限制。关于溶剂性质和待处理气体的组成的许多因素也在确定溶剂选择中起作用。
例如，DMPEG在实现H2S与CO2的选择性分离上有效，但是粘 度比其它物理溶剂高，特别是如果在25℃以下操作，这降低了传质速率。当存在高浓度的H2S时，通常不建议使用PC，因为其在再生期间(约93℃)变得不稳定。在这里考虑的溶剂中，NMP对H2S/CO2具有最高选择性，但是比DMPEG或PC更易挥发。在环境条件下，MeOH极易挥发，但是当冷却至零下温度(低至约-70.5℃)时，MeOH变得对几乎完全去除CO2、H2S和其它污染物有效。冷却MeOH(或任何物理溶剂)增加了酸性气体载量，但是也增加了制冷的电源成本并且溶剂粘度也可能增大。然而，可通过减小溶剂循环率(工艺步调)，产生更低资金花费抵消这些操作花费。同样，因为CH4的溶解度随温度的变化比CO2(或其它酸性气体)少得多，可通过冷却实现选择性增强。虽然CO2和H2S通常是以最大比例存在的杂质，但是也可去除其它较少种类，例如羰基硫(COS)、二硫化碳(CS2)和硫醇(RSH)。溶剂选择和工艺设计中的另一考虑是可在溶剂中积聚的较大烃的吸收和损耗。因此，根据溶剂物理性质和所需单位操作的数量，工艺设计对于这些溶剂的每一种而言可完全不同。
表5呈现了对于讨论的四种物理溶剂以及1-甲基咪唑而言，与工艺操作最相关的物理性质。在这个比较中还包括了离子液体(IL)。除非另外指出，所有物理性质均是在25℃下。
表5
“bp”＝沸点；a性质取决于稳定性；b估计值；c对于MeOH而言，在-25℃下的溶解度选择性数据。
表5举例说明在物理性质方面1-甲基咪唑与NMP最相似。NMP和1-甲基咪唑粘度比PC低约50％并且粘度比DMPEG低约70％。虽然1-甲基咪唑的CO2溶解度比NMP和DMPEG低约20％，但是其CO2/CH4选择性比DMPEG和NMP高。基于对NMP观察到的CO2/CH4和H2S/CO2比例的类比，和已经允许其用作除酸剂并且应允许与H2S酸性质子的可逆酸-碱相互作用的碱性氮中心的存在，在1-甲基咪唑中也表现出较高H2S/CO2选择性潜能。表5证明基于其对H2S/CO2的选择性，1-甲基咪唑对IGCC或燃烧前CO2捕获有用。
实施例9：用咪唑和胺捕获CO2
通过研究1-丁基咪唑与其它胺基化合物，包括NMEA、API、AMP、哌嗪、咪唑和DIPA的混合物检查咪唑对于CO2捕获应用的实用性。如以上和Shannon等，“Properties of alkylimidazoles as solvents for CO2capture and comparisons to imidazolium-based ionic liquids,”Ind.Eng.Chem.Res.,50:8665-8677(2011)中所述，在环境温度(25℃)和介于5-225kPa之间的CO2分压下进行实验。图2中呈现了各种1-丁基咪唑+胺组合吸收的CO2和压力之间的关系。
除1-丁基咪唑+咪唑外，正如在约10kPa的分压下CO2载量急剧上升所证实，所有组合表现出与CO2的化学反应。在微溶于1-丁基咪唑的哌嗪的情况下，通过CO2与充分混合的浆料的迅速反应仍实现了高水平的CO2摄取。在可由实验获得任何可估计的压力测量之前，哌嗪中的CO2几乎以1:1比例在化学计量上饱和。因为所有哌嗪已经与CO2反应，因此呈现的线(几乎与完全未经历化学反应的含有咪唑的混合物的线平行)的斜率表示1-丁基咪唑中的CO2物理溶解度。
在低于约0.35mol CO2/mol胺的载量下，2-氨基-2-甲基丙醇(AMP)仍然溶于1-丁基咪唑中并且在约10kPa的分压下展现出吸收的CO2急剧增加。然而，高于该载量，从溶液中沉淀的AMP-氨基甲酸酯和载量与压力之间的关系变得更多地代表了物理溶剂。在利于氨基甲酸酯形成的有机溶剂中通常观察到与CO2反应后AMP沉淀，但是在碳酸酯形成为优先机制的水溶液中未观察到。
吸收CO2之后NMEA不从溶液中沉淀，并且表现出最有利的载量性质。在50kPa的分压下，1-丁基咪唑+NMEA混合物达到0.75mol CO2/mol NMEA的载量。在含2°胺的非水溶剂中，预计可达到0.50mol CO2/mol胺的水平，在压力升高时出现另外的物理溶解度。然而，在这些相对低的CO2分压下，1-丁基咪唑溶剂中的物理溶解度可仅仅说明吸收了一部分(<20％)的CO2，超过0.50mol CO2/mol NMEA化学计量化学反应限度。通过比较1-丁基咪唑咪唑的数据的斜率，似乎1-丁基咪唑+NMEA的组合对CO2摄取产生协同效应。
DIPA，大体积受阻2°胺也表现出与NMEA类似的吸收行为，但是因为胺基较不易接近CO2形成氨基甲酸酯，总载量较小。
有趣的是，API(胺-咪唑混杂物)在10kPa以下达到0.50mol CO2/mol–NH2基的载量，然而仅在压力增大时表现出对CO2的物理溶解度。基于可能的H+转移机制，这种行为表明，2个API分子之间形成的氨基甲酸酯可不接近1-丁基咪唑以提高类似于含NMEA的溶剂或与AMP的情况相同的CO2摄取水平，具有大体积侧基的1°胺不太可能是容易达到每个胺分子>0.50载量的候选物。除为不均匀混合物的哌嗪外，小链烷醇胺，例如NMEA和MEA可在咪唑基溶剂中达到最高CO2摄取。
对于NMEA、API和DIPA而言，完成实验之后立即测量CO2富集混合物在最大CO2载量下的粘度。表6中总结了结果。
表6
有趣的是，所有CO2富集溶剂的粘度均在30-40cp范围内，这表示在25℃下纯1-丁基咪唑的粘度增加8-10x。高CO2富集状态下的1-丁基咪唑+NMEA粘度仅仅是相似载量下含1-丁基咪唑+MEA的混合物粘度的约1/3。虽然粘度随CO2吸收而增加，但是观测值仍小于在这些分压下不能达到高水平CO2载量的大多数常规IL和其它反应性和可逆性IL(见，例如，Bara等，“Guide to CO2separations in imidazolium-based room-temperature ionic liquids,”Ind.Eng.Chem.Res.,48:2739-2751(2009)；Gardas等，“A group contribution method for viscosity estimation of ionic liquids,”Fluid Phase Equilibr.,266:195-201(2008))。另外，这个粘度范围接近推荐用于燃烧后CO2捕获应用的一些含水胺溶剂以及已经在商业上应用于天然气产业的溶液的粘度。初步结果表明，可用具有缩短烷基侧链的N-官能化咪唑(例如，1-甲基咪唑、1,2-二甲基咪唑等)实现粘度的进一步减小。
基于1-丁基咪唑+NMEA混合物在环境温度下的性能，表征载量的温度依赖性以便生成咪唑胺混合物中吸收和解吸的基线数据。图3呈现了在>10kPa压力下25-80℃范围的这些数据。对于典型烟气条件(40℃，2psia CO2)而言，1-丁基咪唑+NMEA溶剂达到接近0.50mol CO2/mol胺的载量。如图3中可见，对于指定压力，CO2溶解度随温度升高而降低。当温度从40℃升高到80℃时，在恒定压力下1-丁基咪唑+NMEA混合物表现出约0.40mol CO2/mol NMEA的工作容量。这些数据，结合CO2富集状态下相对低的粘度，表明咪唑+胺溶剂能够在常规吸收器-剥离器工艺中捕获并释放CO2。
因为可使用不同浓度的各种咪唑和胺衍生物配制溶剂混合物进行CO2捕获，所以1-丁基咪唑+NMEA的这种特定组合(80:20体积:体积)仅为代表性实例。咪唑和胺组分的结构很可能影响所得溶剂混 合物的物理和化学性质。
实施例10：作为SO2去除剂的咪唑
烷基咪唑也可用于通过物理和化学相互作用可逆性吸收SO2。因为烷基咪唑可用作化学和物理溶剂以从烟气中去除SO2，这种特征呈现了有趣的可能性。
为证明烷基咪唑溶剂中SO2的吸收，在通风良好的烟橱中进行实验。还采用手持SO2传感器以确保将人员对SO2的暴露减到最少。于装在室温水浴内的50mL圆底烧瓶中搅拌1-己基咪唑(5.00g，32.8mmol)。将低压SO2(约1psig)通入溶剂中鼓泡，并且观察到溶液总体积随存在的单液相迅速膨胀。暴露于鼓泡SO2流5分钟后，观察到烧瓶内容物的质量增加2.46g，表明烧瓶中存在38.4mmol或1.17mol SO2/mol 1-己基咪唑。SO2流停止流动后，在室温下用N2流吹扫烧瓶的内容物几小时。通过烧瓶内容物的剩余质量测定，这次以后，液相已经转化为含有约0.5mol SO2/mol 1-己基咪唑的透明粘性凝胶。损耗的SO2很可能是物理溶解的部分，从而表明SO2与烷基咪唑按1:2比例反应。可通过在N2吹扫的同时，在>100℃下加热样品释放化学结合的SO2。通过1H NMR未观察到1-己基咪唑不可逆性降解。
虽然为了方便其非常低的挥发性选择了1-己基咪唑，也可与任何烷基咪唑化合物进行这种反应。因此，很可能SO2与咪唑之间的反应产物的性质(即，粘度和固态/液态/凝胶态)或许将取决于烷基链的长度以及C(2)、C(4)和/或C(5)位置的任何附加官能化。所述碳位置的官能化也可提供调整化学反应平衡或控制解吸温度的能力。
与用于CO2捕获的1-丁基咪唑+NMEA混合物一样，未优化1-己基咪唑的实例。然而，N-官能化咪唑呈现了在电力工业中从烟气中可逆性捕获SO2的新机遇。因为当前的“洗涤”技术依赖于SO2+CaSO3的反应(CaSO3，然后CaSO3氧化为CaSO4并且常销售用作石膏板)，所以可逆性SO2捕获令人感兴趣。直接回收SO2消除了关于烟气脱硫 中固体处理的过程工程问题，而同时允许生产更高价值的硫产品例如H2SO4。
在应用咪唑通过与无水胺所表现的类似酸-碱反应进行H2S去除中存在另外的机遇。因为H2S的第一质子离解的pKa为约7.0，所以1,2-二烷基咪唑和1,2,4-三烷基咪唑能够近似定量去质子化H2S以形成咪唑鎓二硫化物盐。
旨在将其作为对权利要求一些方面的举例说明的本文所述特定化合物和方法不限制所附权利要求的化合物和方法的范围，并且功能上等效的任何化合物和方法在本公开的范围之内。除本文示出和描述的化合物和方法外，旨在使所述化合物和方法的各种修改属于所附权利要求的范围。更进一步地，虽然仅具体描述了某些代表性化合物、方法及这些化合物和方法的某些方面，但是即使未具体叙述，也旨在使其它化合物和方法及所述化合物和方法的各种特征的组合属于所附权利要求的范围。因此，本文可明确提到步骤、元素、组分或组成的组合；然而，即使未明确说明，也包括步骤、元素、组分和组成的所有其它组合。

Claims (25)

1.一种减少来自流中的作为挥发性化合物的二氧化碳的溶剂系统，所述溶剂系统包含：
N-官能化咪唑，其中所述N-官能化咪唑在中性条件下为非离子型，并占所述溶剂系统的20重量％至70重量％，并且所述N-官能化咪唑具有以下结构：
其中
N-官能化咪唑的R1为C1-20烷基、C2-20烯基、C2-20炔基、C1-20杂烷基、C2-20杂烯基、C2-20杂炔基、环烷基、杂环烷基、芳基、杂芳基、硫代、氨基、烷氧基、芳氧基、甲硅烷基、甲硅烷氧基或氰基；并且
N-官能化咪唑的R2、R3和R4各自独立地选自氢、卤素、羟基、C1-20烷基、C2-20烯基、C2-20炔基、C1-20杂烷基、C2-20杂烯基、C2-20杂炔基、环烷基、杂环烷基、芳基、杂芳基、硫代、烷氧基、芳氧基、氨基、氰基或硝基；
以及
胺，所述胺占所述溶剂系统的至少10重量％，并具有以下结构：
其中
胺的R1、R2和R3各自独立地选自氢、C1-20烷基、C2-20烯基、C2-20炔基、C1-20杂烷基、C2-20杂烯基、C2-20杂炔基、环烷基、杂环烷基、芳基、杂芳基、硫代、氨基、烷氧基、芳氧基、甲硅烷基、甲硅烷氧基或氰基。
2.根据权利要求1所述的溶剂系统，其中：
所述溶剂系统包含水；并且
所述N-官能化咪唑和胺占所述溶剂系统的40重量％至80重量％。
3.根据权利要求2所述的溶剂系统，其中胺占所述溶剂系统的20重量％至60重量％。
4.根据权利要求3所述的溶剂系统，其中咪唑占所述溶剂系统的20重量％至60重量％。
5.根据权利要求4所述的溶剂系统，其中所述N-官能化咪唑为N-烷基咪唑。
6.根据权利要求4所述的溶剂系统，其中所述N-官能化咪唑为作为1-甲基咪唑、1-乙基咪唑、1-丙基咪唑、1-丁基咪唑、1-戊基咪唑、1-己基咪唑、1-癸基咪唑、1-十二烷基咪唑或1-十四烷基咪唑的1-正烷基咪唑。
7.根据权利要求4所述的溶剂系统，其中所述N-官能化咪唑为1,2-二甲基咪唑。
8.根据权利要求4所述的溶剂系统，其中所述N-官能化咪唑和所述胺以胺与N-官能化咪唑的重量比为1:1至2:1的比例存在于溶剂系统中。
9.根据权利要求4所述的溶剂系统，其中所述溶剂系统具有捕获在其中的挥发性化合物二氧化碳。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的溶剂系统，其中所述胺为伯胺，选自单乙醇胺、二甘醇胺、2-氨基-2-甲基丙醇或其混合物。
11.根据权利要求1-9中任一项所述的溶剂系统，其中所述胺为仲胺。
12.根据权利要求11所述的溶剂系统，其中所述仲胺选自二乙醇胺、二异丙醇胺或其混合物。
13.根据权利要求11所述的溶剂系统，其中所述仲胺为甲基乙醇胺。
14.根据权利要求1-9中任一项所述的溶剂系统，其中所述胺为叔胺。
15.根据权利要求1-9中任一项所述的溶剂系统，其中所述胺为环胺，其中R1、R2和R3中的两者结合。
16.一种减少来自流中的二氧化碳的方法，包括：
使包含二氧化碳作为挥发性组分的所述流与权利要求1-9中任一项所述的溶剂系统接触，以将二氧化碳从流中捕获到溶剂系统中。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述气体流为烟气流。
18.根据权利要求16所述的方法，其中所述气体流为天然气流。
19.根据权利要求16所述的方法，其中所述胺为伯胺，选自单乙醇胺、二甘醇胺、2-氨基-2-甲基丙醇或其混合物。
20.根据权利要求16所述的方法，其中所述胺为仲胺。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述仲胺选自二乙醇胺、二异丙醇胺或其混合物。
22.根据权利要求20所述的方法，其中所述仲胺为甲基乙醇胺。
23.根据权利要求16所述的方法，其中所述胺为叔胺。
24.根据权利要求16所述的方法，其中所述N-官能化咪唑占所述溶剂系统的至少25重量％。
25.根据权利要求16所述的方法，其中所述胺占系统的至少25重量％。
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