离子液体的静电场研究

离子液体作为由特定离子组成的具有独特性质的液体介质和材料，其静电场的性质研究和强弱测量一直是困扰人们深入理解离子液体性质和性能的难题之一。本项目拟通过振动斯塔克效应研究和建立离子液体静电场的测量方法。主要研究内容包括：（1）通过对探针分子/离子液体体系的系统光谱研究，采用振动斯塔克效应，建立和完善离子液体静电场的研究方法；（2）一系列结构组成不同（阴离子、阳离子、烷基链长与功能化基团不同）的离子液体的合成纯化以及相应静电场强弱的比较，探索离子液体结构组成与静电场以及与其它物理化学性质之间的内在关系；（3）条件不同，如温度变化，水、卤素等杂质含量的改变对离子液体静电场的影响及规律。该研究的开展对于深入理解离子液体作为溶剂和介质的作用机理，以及离子液体的独特物理化学性质对催化过程和有机反应、溶解分离等性能的影响具有重要的科学意义和实用价值。

离子液体因为其独特物理化学性质引起了人们的极大关注。为了从分子层面来解释离子液体与传统溶剂的差异，人们对离子液体的基本物理化学性质例如极性、氢键作用、溶剂化行为等进行了广泛研究，但是对于离子液体作为溶剂和介质对催化过程、 有机反应、溶解分离等所展现出来的优异性质和性能仍然缺乏足够的理解，一般只是将其简单地归为离子液体效应。考虑到离子液体的特殊结构，这种所谓的离子液体效应应该与离子液体中阴阳离子间的静电作用力密切相关，因此有必要深入研究静电场这一离子液体最为本质和核心的问题。然而令人遗憾的是，到本项目开始实施为止，国内外还没有相关的研究报道。 . 本项目中我们首次对离子液体静电场进入了初步研究。采用的手段包括基于实验的振动斯塔克光谱效应以及基于理论计算的分子动力学模拟，研究对象是常规离子液体以及功能化的离子液体两大类，具体考察了离子液体的结构变化例如阴离子、阳离子、烷基链长以及羟基功能化对其静电场的影响。. 我们首先以硫酸乙氰酯为探针分子，考察了氰基在非功能化离子液体中的红外伸缩振动以及其核磁共振碳谱，结果表明对于常规离子液体，探针分子的红外振动均源于静电场，而氢键的贡献则可以忽略，由此测量得到的静电场并非预想的高，仅比非质子极性有机溶剂高约3MV/cm。我们进一步考察了离子液体结构对静电场的影响，发现随着阴离子体积和电荷离域程度的增大，离子液体的静电场减小，而随着咪唑上的烷基链长的增加，静电场呈缓慢下降趋势。采用分子动力学的方法对离子液体的静电场进行了理论计算并初步解释了我们的实验结果。此外，我们发现在羟基离子液体中探针分子的红外伸缩振动可以分为两部分，即静电场和氢键效应，因此羟基离子液体的静电场可以通过扣除氢键贡献由振动斯塔克效应测量得到。进一步的研究表明，探针分子对研究方法以及离子液体静电场测量也有一定的影响。与硫酸乙氰酯通过氰基的红外伸缩振动和碳谱作图来区分静电场和氢键效应不同，在羟基离子液体中，从苯甲腈的红外振动中就可以直接观察到氢键效应贡献。. 通过本项目的顺利实施，我们首次实现了离子液体静电场的量化研究，并与分子溶剂进行了比较研究，初步建立了一套离子液体静电场的测量方法，对于深入理解离子液体效应和离子环境具有重要的科学意义，有助于深入理解离子液体的本质与特性，为离子液体的设计和开发提供了基础性支撑。