Liquido ionico
Un líquido iónico (IL) es una sal en estado líquido en condiciones ambientales. En algunos contextos, el término se ha restringido a sales cuyo punto de fusión está por debajo de una temperatura específica, como 100 °C (212 °F). Mientras que los líquidos ordinarios, como el agua y la gasolina, están formados predominantemente por moléculas eléctricamente neutras, los líquidos iónicos están formados en gran medida por iones. Estas sustancias se denominan de diversas formas electrolitos líquidos, fundidos iónicos, fluidos iónicos, sales fundidas, sales líquidas. , o gafas iónicas.
Los líquidos iónicos tienen muchas aplicaciones potenciales. Son potentes disolventes y pueden utilizarse como electrolitos. Las sales líquidas a temperatura cercana a la ambiente son importantes para aplicaciones de baterías eléctricas y se han considerado selladores debido a su muy baja presión de vapor.
Cualquier sal que se derrita sin descomponerse o vaporizarse generalmente produce un líquido iónico. El cloruro de sodio (NaCl), por ejemplo, se funde a 801 °C (1474 °F) formando un líquido que se compone principalmente de cationes de sodio (Na+
> ) y aniones cloruro (Cl−
). Por el contrario, cuando se enfría un líquido iónico, a menudo forma un sólido iónico, que puede ser cristalino o vítreo.
El enlace iónico suele ser más fuerte que las fuerzas de Van der Waals entre las moléculas de los líquidos ordinarios. Debido a estas fuertes interacciones, las sales tienden a tener altas energías reticulares, que se manifiestan en altos puntos de fusión. Algunas sales, especialmente aquellas con cationes orgánicos, tienen energías reticulares bajas y, por lo tanto, son líquidas a temperatura ambiente o por debajo de ella. Los ejemplos incluyen compuestos basados en el catión 1-etil-3-metilimidazolio (EMIM) e incluyen: EMIM:Cl, EMIMAc (anión acetato), EMIM dicianamida, (C
2H
5)(CH
3)C
3H
>3N+
>2·N(CN)−
>< sub style="font-size:inherit;line-height:inherit;vertical-align:baseline">2, que se derrite a −21 °C (−6 °F); y bromuro de 1-butil-3,5-dimetilpiridinio que se convierte en un vidrio por debajo de -24 °C (-11 °F).
Los líquidos iónicos de baja temperatura se pueden comparar con soluciones iónicas, líquidos que contienen tanto iones como moléculas neutras, y en particular con los llamados disolventes eutécticos profundos, mezclas de sustancias sólidas iónicas y no iónicas que tienen un punto de fusión mucho menor. puntos que los compuestos puros. Ciertas mezclas de sales de nitrato pueden tener puntos de fusión inferiores a 100 °C.
Historia
El término "líquido iónico" en el sentido general se utilizó ya en 1943.
La fecha del descubrimiento del "primer" Se discute el líquido iónico, así como la identidad de su descubridor. El nitrato de etanolamonio (p.f. 52–55 °C) fue informado en 1888 por S. Gabriel y J. Weiner. En 1911, Ray y Rakshit, durante la preparación de las sales de nitrito de etilamina, dimetilamina y trimetilamina, observaron que la reacción entre el clorhidrato de etilamina y el nitrato de plata producía un nitrito de etilamonio inestable (C
2< /sub>H
5)NH+
>3·NO−
2 un líquido amarillo pesado que al sumergirlo en una mezcla de sal y hielo no podía solidificarse y se Probablemente el primer informe sobre líquido iónico a temperatura ambiente. Más tarde, en 1914, Paul Walden informó sobre uno de los primeros líquidos iónicos estables a temperatura ambiente, nitrato de etilamonio (C
>2H
5 )NH+
>< sub style="font-size:inherit;line-height:inherit;vertical-align:baseline">3·NO−
>3 (p.f. 12 °C). En las décadas de 1970 y 1980, se desarrollaron líquidos iónicos basados en cationes imidazolio y piridinio sustituidos con alquilo, con aniones haluro o tetrahalogenoaluminato, como electrolitos potenciales en baterías.
Para las sales de halogenoaluminato de imidazolio, sus propiedades físicas, como viscosidad, punto de fusión y acidez, podrían ajustarse cambiando los sustituyentes alquilo y las proporciones de imidazolio/piridinio y haluro/halogenoaluminato. Dos inconvenientes importantes para algunas aplicaciones fueron la sensibilidad a la humedad y la acidez o basicidad. En 1992, Wilkes y Zawarotko obtuvieron líquidos iónicos con propiedades 'neutras' aniones débilmente coordinantes como el hexafluorofosfato (PF−
6) y tetrafluoroborato (BF−
>4), permitiendo una gama mucho más amplia de aplicaciones.
Características
Los IL suelen ser líquidos viscosos incoloros. A menudo son conductores de electricidad de moderados a malos, no ionizantes. Presentan baja presión de vapor. Muchos tienen baja combustibilidad y son térmicamente estables.
Las propiedades de solubilidad de los LI son diversas. Los compuestos alifáticos saturados generalmente son poco solubles en líquidos iónicos, mientras que los alquenos muestran una solubilidad algo mayor y los aldehídos a menudo son completamente miscibles. Las diferencias de solubilidad se pueden aprovechar en la catálisis bifásica, como los procesos de hidrogenación e hidrocarbonilación, lo que permite una separación relativamente fácil de productos y/o sustratos sin reaccionar. La solubilidad del gas sigue la misma tendencia: el gas dióxido de carbono muestra una buena solubilidad en muchos líquidos iónicos. El monóxido de carbono es menos soluble en líquidos iónicos que en muchos disolventes orgánicos populares, y el hidrógeno es sólo ligeramente soluble (similar a la solubilidad en agua) y puede variar relativamente poco entre los líquidos iónicos más comunes. Muchas clases de reacciones químicas. La miscibilidad de los líquidos iónicos con agua o disolventes orgánicos varía según la longitud de las cadenas laterales del catión y la elección del anión. Pueden funcionalizarse para actuar como ácidos, bases o ligandos y son sales precursoras en la preparación de carbenos estables. Debido a sus propiedades distintivas, los líquidos iónicos han sido investigados para muchas aplicaciones.
Algunos líquidos iónicos se pueden destilar en condiciones de vacío a temperaturas cercanas a los 300 °C. El vapor no está formado por iones separados, sino por pares de iones.
Los IL tienen una amplia gama de líquidos. Algunas IL no se congelan a temperaturas muy bajas (incluso -150 °C). La temperatura de transición vítrea se detectó por debajo de -100 °C en el caso de los cationes de N-metil-N-alquilpirrolidinio fluorosulfonil-trifluorometanosulfonilimida (FTFSI). Se han propuesto líquidos iónicos de baja temperatura (por debajo de 130 K) como base fluida para un telescopio giratorio de espejo líquido de diámetro extremadamente grande que se basará en la Luna.
El agua es una impureza común en los líquidos iónicos, ya que puede absorberse de la atmósfera e influye en las propiedades de transporte de los RTIL, incluso en concentraciones relativamente bajas.
Variedades
Clásicamente, los LI consisten en sales de cationes orgánicos flexibles y asimétricos con aniones simétricos de coordinación débil. Tanto los componentes catiónicos como aniónicos han sido ampliamente variados.
Cationes
Los líquidos iónicos a temperatura ambiente (RTIL) están dominados por sales derivadas de 1-metilimidazol, es decir, 1-alquil-3-metilimidazolio. Los ejemplos incluyen 1-etil-3-metil- (EMIM), 1-butil-3-metil- (BMIM), 1-octil-3-metilo (OMIM), 1-decil-3-metil-(DMIM), 1- dodecil-3-metil-docecilMIM). Otros cationes imidazolio son 1-butil-2,3-dimetilimidazolio (BMMIM o DBMIM) y 1,3-di(N,N-dimetilaminoetil)-2-metilimidazolio (DAMI). Otros cationes N-heterocíclicos se derivan de la piridina: 4-metil-N-butil-piridinio (MBPy) y N-octilpiridinio (C8Py). Los cationes de amonio cuaternario convencionales también forman LI, p. tetraetilamonio (TEA) y tetrabutilamonio (TBA).
Aniones
Los aniones típicos en líquidos iónicos incluyen los siguientes: tetrafluoroborato (BF4), hexafluorofosfato (PF6), bis-trifluorometanosulfonimida (NTf2), trifluorometanosulfonato (OTf), dicianamida (N(CN)2), sulfato de hidrógeno (HSO4) y sulfato de etilo (EtOSO3). Los líquidos iónicos magnéticos se pueden sintetizar incorporando aniones paramagnéticos, ilustrados por el tetracloroferrato de 1-butil-3-metilimidazolio.
IL especializadas
(feminine)Los líquidos iónicos próticos se forman mediante una transferencia de protones de un ácido a una base. A diferencia de otros líquidos iónicos, que generalmente se forman mediante una secuencia de pasos de síntesis, los líquidos iónicos próticos se pueden crear más fácilmente simplemente mezclando el ácido y la base.
Los cationes fosfonio (R4P+) son menos comunes pero ofrecen algunas propiedades ventajosas. Algunos ejemplos de cationes fosfonio son trihexil(tetradecil)fosfonio (P6,6,6,14) y tributil(tetradecil)fosfonio (P4,4,4,14).
Poli(líquidos iónicos)
Los líquidos iónicos polimerizados, los líquidos poli(iónicos) o los líquidos iónicos poliméricos, todos abreviados como PIL, son la forma polimérica de los líquidos iónicos. Tienen la mitad de la ionicidad de los líquidos iónicos, ya que un ión se fija como resto polimérico para formar una cadena polimérica. Los PIL tienen una gama similar de aplicaciones, comparables a las de los líquidos iónicos, pero la arquitectura del polímero proporciona una mejor posibilidad de controlar la conductividad iónica. Han ampliado las aplicaciones de los líquidos iónicos para el diseño de materiales inteligentes o electrolitos sólidos.
Aplicaciones comerciales
Se han considerado muchas aplicaciones, pero pocas se han comercializado. Los IL se utilizan en la producción de gasolina catalizando la alquilación.
Un IL basado en yoduro de tetraalquilfosfonio es un disolvente para yoduro de tributilestaño, que funciona como catalizador para reorganizar el monoepóxido de butadieno. Este proceso se comercializó como una ruta para obtener 2,5-dihidrofurano, pero luego se suspendió.
Aplicaciones potenciales
Catálisis
Los IL mejoran el rendimiento catalítico de las nanopartículas de paladio. Además, los líquidos iónicos pueden utilizarse como precatalizadores para transformaciones químicas. A este respecto, se han utilizado dialquilimidazolios como [EMIM]Ac en combinación con una base para generar carbenos N-heterocíclicos (NHC). Se sabe que estos NHC a base de imidazolio catalizan una serie de transformaciones como la condensación de benjuí y la reacción de OTHO.
Productos farmacéuticos
Reconociendo que aproximadamente el 50% de los productos farmacéuticos comerciales son sales, se han investigado las formas líquidas iónicas de varios productos farmacéuticos. La combinación de un catión farmacéuticamente activo con un anión farmacéuticamente activo da como resultado un líquido iónico Dual Active en el que se combinan las acciones de dos fármacos.
Los IL pueden extraer compuestos específicos de plantas para aplicaciones farmacéuticas, nutricionales y cosméticas, como el fármaco antipalúdico artemisinina de la planta Artemisia annua.
Procesamiento de biopolímeros
La disolución de la celulosa mediante LI ha despertado interés. Una solicitud de patente de 1930 demostró que los cloruros de 1-alquilpiridinio disuelven la celulosa. Siguiendo los pasos del proceso lyocell, que utiliza N-óxido de N-Metilmorfolina hidratado como disolvente para pulpa y papel. La "valorización" La transformación de la celulosa, es decir, su conversión en sustancias químicas más valiosas, se ha logrado mediante el uso de líquidos iónicos. Productos representativos son ésteres de glucosa, sorbitol y alquilglucósidos. El cloruro de IL 1-butil-3-metilimidazolio disuelve la pulpa de plátano liofilizada y, con un 15% adicional de dimetilsulfóxido, se presta al análisis de RMN de carbono-13. De esta manera se puede controlar todo el complejo de almidón, sacarosa, glucosa y fructosa en función de la maduración del plátano.
Más allá de la celulosa, las IL también han demostrado potencial en la disolución, extracción, purificación, procesamiento y modificación de otros biopolímeros como quitina/quitosano, almidón, alginato, colágeno, gelatina, queratina y fibroína. Por ejemplo, las IL permiten la preparación de materiales biopolímeros en diferentes formas (por ejemplo, esponjas, películas, micropartículas, nanopartículas y aerogeles) y mejores reacciones químicas de biopolímeros, lo que conduce a portadores de administración de genes/medicamentos basados en biopolímeros. Además, los IL permiten la síntesis de almidones modificados químicamente con alta eficiencia y grados de sustitución (DS) y el desarrollo de diversos materiales a base de almidón, como almidón termoplástico, películas compuestas, electrolitos de polímeros sólidos, nanopartículas y portadores de fármacos.
Reprocesamiento de combustible nuclear
El cloruro de IL 1-butil-3-metilimidazolio se ha investigado para la recuperación de uranio y otros metales del combustible nuclear gastado y otras fuentes.
Energía solar térmica
Los IL son medios potenciales de transferencia y almacenamiento de calor en sistemas de energía solar térmica. Las instalaciones de concentración solar térmica, como los cilindros parabólicos y las torres de energía solar, concentran la energía del sol en un receptor, que puede generar temperaturas de alrededor de 600 °C (1112 °F). Este calor puede luego generar electricidad en un ciclo de vapor u otro ciclo. Para amortiguar durante los períodos nublados o para permitir la generación durante la noche, se puede almacenar energía calentando un fluido intermedio. Aunque las sales de nitrato han sido el medio elegido desde principios de la década de 1980, se congelan a 220 °C (428 °F) y, por lo tanto, requieren calentamiento para evitar la solidificación. Líquidos iónicos como [C4mim][BF
4] tienen una fase líquida más favorable rangos de temperatura (-75 a 459 °C) y, por lo tanto, podrían ser excelentes medios líquidos de almacenamiento térmico y fluidos de transferencia de calor.
Reciclaje de residuos
Los IL pueden ayudar al reciclaje de productos sintéticos, plásticos y metales. Ofrecen la especificidad necesaria para separar compuestos similares entre sí, como separar polímeros en flujos de residuos plásticos. Esto se ha logrado utilizando procesos de extracción a temperaturas más bajas que los enfoques actuales y podría ayudar a evitar la incineración de plásticos o su vertido en vertederos.
Baterías
Los IL pueden reemplazar el agua como electrolito en las baterías de metal-aire. Los LI son atractivos debido a su baja presión de vapor. Además, los IL tienen una ventana electroquímica de hasta seis voltios (frente a 1,23 del agua), lo que soporta metales más densos en energía. Parecen posibles densidades de energía de 900 a 1.600 vatios-hora por kilogramo.
Agente dispersante
Los IL pueden actuar como agentes dispersantes en pinturas para mejorar el acabado, la apariencia y las propiedades de secado. Los IL se utilizan para dispersar nanomateriales en IOLITEC.
Captura de carbono
Se han investigado los IL y las aminas para capturar dióxido de carbono CO
2 y purificación de gas natural.
Tribología
Se ha demostrado que algunos líquidos iónicos reducen la fricción y el desgaste en pruebas tribológicas básicas, y su naturaleza polar los convierte en lubricantes candidatos para aplicaciones tribotrónicas. Si bien el costo comparativamente alto de los líquidos iónicos actualmente impide su uso como lubricantes puros, agregar líquidos iónicos en concentraciones tan bajas como 0,5% en peso puede alterar significativamente el rendimiento lubricante de los aceites base convencionales. Por lo tanto, el foco actual de la investigación está en el uso de líquidos iónicos como aditivos para aceites lubricantes, a menudo con la motivación de reemplazar aditivos lubricantes ecológicamente dañinos y ampliamente utilizados. Sin embargo, la supuesta ventaja ecológica de los líquidos iónicos ha sido cuestionada repetidamente y aún no se ha demostrado desde la perspectiva del ciclo de vida.
Seguridad
Líquidos iónicos' La baja volatilidad elimina efectivamente una vía importante de liberación y contaminación ambiental.
Líquidos iónicos' La toxicidad acuática es tan grave o más que la de muchos disolventes actuales.
El ultrasonido puede degradar soluciones de líquidos iónicos a base de imidazolio con peróxido de hidrógeno y ácido acético a compuestos relativamente inocuos.
A pesar de la baja presión de vapor, muchos líquidos iónicos son combustibles.
Cuando las hormigas locas de TawnyNylanderia fulva) las hormigas de fuego (Solenopsis invicta), este último rociarlos con un veneno tóxico, lipofílico, alcaloides. La hormiga loca de Tawny luego exuda su propio veneno, ácido formico y auto-grooms con él, una acción que desintoxica el veneno de la hormiga de fuego. Los venenos mixtos reaccionan químicamente unos con otros para formar un líquido iónico, el primer IL que ocurre naturalmente se describe.