低粘度离子液体体系的设计及其溶解纤维素的研究

The design and synthesis of the ionin liquid systems with low viscosity which can effectively dissolve cellulose has been increasingly gotten attention in cellulose and ionic liquid research fields. In this project, the ionic liquids would be finely tuned and synthesized at the level of molecule based on the versatility in structure and property. It will be investigated for the essential relationship between the type of cationic structure backbone, the number and strength of acidic hydrogen atom in cationic structure backbone, the functional group property and alkyl chain length in anion and cation and physicochemical properties of the ionic liquids as well as cellulose solubility by utilizing chemical thermodynamics, spectroscopy technique, and so on. Influence of molar ratio of aprotic polar solvent to ionic liquid on cellulose solubility will be sysmatically investigated. The dissolution mechanism of cellulose in ionic liquid/aprotic polar solvent will be explored according to 13C and 1H NMR, solvatochromic UV/vis probe, and electricity. The outstanding advantage of this project is to control the physicochemical properties of the ionic liquids by actively intervening microstructure. It will provide scientific evidence for the designation of environmentally-friendly and enewable ionic liquid based solvent system with low viscosity together with powful capacity of cellulose dissolution.

设计合成对纤维素具有良好溶解性能的低粘度离子液体体系，是纤维素和离子液体研究领域关注的焦点。本项目根据离子液体结构和性质可调变的独特性能，从分子层面上对离子液体进行修饰和设计；采用化学热力学、谱学技术等手段，研究离子液体的阳离子结构骨架类型、骨架上酸性氢原子的酸性强弱和数量、阴阳离子上所连官能团的性质和烷基链长度等与离子液体物理化学性质、纤维素溶解度之间的本质关系；在此基础上，研究离子液体/极性非质子溶剂的摩尔比对纤维素溶解度的影响；并结合高温碳核磁、核磁氢、溶剂化显色紫外/可见光探针、电导率等技术，探索纤维素在离子液体/极性非质子溶剂中的溶解机制。本项目通过主动干预离子液体微观分子结构来调控其物理化学性能，实现从分子层面上对离子液体进行修饰，为设计环保、可循环利用的低粘度、高溶解能力的新型离子液体体系提供科学依据。

本项目根据离子液体结构和性质可调变的独特性能，从分子层面上对离子液体的阴阳进行精细修饰，设计合成了22种新型阴阳离子功能化的离子液体。测定了不同温度下纤维素在这些离子液体中的溶解度。系统地研究了阳离子结构骨架类型、阳离子骨架上酸性氢原子的酸性强弱和数量、阳离子骨架上烯基的数量、阴阳离子上所连官能团的类型和烷基链长度对纤维素的溶解规律，构建了离子液体结构-纤维素溶解度构效关系。研究了纤维素在离子液体中的溶解机制，揭示了离子液体与纤维素相互作用的位点。同时，还首次研究了离子液体结构对再生纤维素材料微观结构形貌的影响，并对其结构和热性质进行评估。在此基础上，发展了一系列离子液体/极性非质子溶剂溶剂体系，测定了25℃下纤维素在这些溶剂体系中的溶解度。研究了两者的摩尔比对纤维素的溶解规律以及纤维素在这些溶剂体系中溶解机制。同时还考察了从这些溶剂体系中再生纤维素的结构、形貌和热性质。发展了1-烯丙基-3-甲基咪唑乙酸盐离子液体/PEG溶剂体系和四丁基铵丙酸盐/MIM溶剂体系，测定了不同温度下纤维素在这些溶剂体系中的溶解度，研究了纤维素在这些溶剂体系中溶解机制，同时还考察了从这些溶剂体系中再生纤维素的结构、形貌和热性质。设计调配了13类胆碱羧酸盐/水溶剂体系，Tween-8/水溶剂体系和DEG/水溶剂体系，系统地研究木质素在其中的溶解规律和溶解机制，并对从这些溶剂体系再生的木质素的结构进行了评估。研究结果表明，本项目设计的溶剂体系对纤维素和木质素具有高效的溶解性能，显著优于已报道的溶剂体系。本研究成果为设计低粘度、高溶解性能及低能耗的新型离子液体基溶剂体系、不同微观结构形貌纤维素材料构建以及室温下纤维素和木质素的加工转化的提供了科学依据。