离子液体中氢键网络及离子簇的研究

宏观呈现均相的离子液体，在本质上涉及了各种不同尺度的复杂结构及动态变化，离子液体的特殊性质正是其复杂结构和相互作用的外在表象。由于目前缺乏对离子液体内部结构的深入了解，使得离子液体科研工作和应用受到极大限制。因此，对离子液体中氢键网络及离子簇等复杂结构和相互作用规律进行研究具有重要的理论意义和应用价值。本项目拟通过对咪唑类、吡啶类、胺类、胍类等离子液体的理论计算和实验检测，以离子液体氢键作用为核心，对氢键网络结构和离子簇进行系统深入的研究，揭示体系内部的多尺度结构及相互作用规律，建立离子液体复杂结构单元与宏观性质之间的定量关系；获得离子液体内氢键作用规律，完善离子液体氢键作用的理论和计算方法；为离子液体科研理论的发展和实际应用提供科学基础。

离子液体特殊性质是其复杂结构和相互作用的外在表象。本项目对离子液体中氢键网络及离子簇等复杂结构和相互作用进行了深入和系统研究，通过对咪唑类、吡啶类、胍类等代表性离子液体的理论计算和实验检测，揭示体系内部氢键网络结构和离子簇等多尺度结构及氢键相互作用规律。下面对取得的主要研究成果加以简要介绍：  .1）离子液体内阴阳离子对结构及相互作用的研究。本部分内容采用量子化学计算方法对咪唑类、乳酸类、BF4-、PF6-、Cl- 等离子液体的阴阳离子对相互作用进行了详细研究，给出相关的结构性质、能量数据及氢键作用方式，几类离子液体阴阳离子形成多重氢键，并对振动光谱数据进行了计算，与实验测定数据进行比较。同时研究发现，在结构和能量方面与单原子阴离子有较大区别。研究表明大部分形成的氢键结构是共价作用为主，只有少部分氢键结构作用力主要是静电作用。.2）对各类离子液体体系在不同环境下的氢键作用氢键网络和离子簇结构、电荷、轨道进行量子化学计算，得出离子液体内部氢键作用及其特征化学性质；采用量子化学中密度泛函理论（DFT）方法研究了咪唑类离子液体的结构和包括氢键在内的离子间作用方式，分别研究了离子液体以单独的阴阳离子、发生了质子化转移、阴阳离子对、多个离子所形成的离子簇的结构等各种形式的结构形态。从结构的角度发现氢键是阴阳离子之间主要的作用方式，氢键作用有一定的共价键特征，这种氢键使得阴阳离子形成有序的排列。.3）建立咪唑类、吡啶类、胺类、胍类多类代表性离子液体的力场，考虑其氢键作用并对其离子簇形成过程、离子液体物理化学性质进行计算模拟；与实验研究相结合，对离子液体各项性质进行测定，对计算结果进行验证，根据实验数据和参数进行调整，优化计算模型，对离子液体性质随阴阳离子结构变化的规律进行了研究。.4）离子液体与Bronsted酸类和水等不同分子化合物混合物相互作用的研究。采用量子化学、分子动力学方法与实验相结合，对离子液体与其他化合物的相互作用进行了详细分析，并对相关物理化学性质进行了模拟。采用量化方法对离子液体与Bronsted酸所形成的氢键网络结构大体系（包括400多个原子）进行计算，并对氢键和网络结果对体系酸性影响进行了研究。构建了联合原子力场，对体系内部各类分子相互作用及微观运动状态进行了模拟。微观结构和性质研究结果表明，氢键作用是离子液体和化合物主要相互作用之一。