这是一种非常常见的离子液体,其制备主要有两种经典路线:一步法(直接合成法) 和两步法(季铵化-阴离子交换法)。其中,两步法更为常见、操作更安全、产物纯度也更容易控制。
方法一:两步法(最常用、推荐的方法)
此方法先合成氯盐中间体(1-乙基-3-甲基咪唑氯盐,[EMIM]Cl),再通过复分解反应与四氟硼酸钠(NaBF₄)进行阴离子交换,得到目标产物。操作简单,条件温和,无需高压设备,中间体[EMIM]Cl易于纯化,但是步骤稍多,需要彻底去除副产物NaCl。
第一步:合成1-乙基-3-甲基咪唑氯盐 ([EMIM]Cl)
1. 反应方程式:
N-甲基咪唑 + 氯乙烷 → 1-乙基-3-甲基咪唑氯盐
2. 试剂与仪器:
试剂: N-甲基咪唑,氯乙烷,乙腈(作为溶剂,可选)
仪器: 带聚四氟乙烯内衬的高压反应釜(如果不用溶剂),或带冷凝管、磁力搅拌器的三颈圆底烧瓶(如果使用溶剂),油浴,旋转蒸发仪。
3. 操作步骤:
方法A (无溶剂法,产率高但需高压设备):
1. 将N-甲基咪唑与过量(例如1.2当量)的氯乙烷加入到高压反应釜中。
2. 密封反应釜,加热至60-80°C,反应12-24小时。
3. 反应结束后,冷却至室温,打开反应釜。得到一种粘稠的白色或淡黄色固体,即为粗产品[EMIM]Cl。
方法B (溶剂法,常压操作):
1. 在装有冷凝管和磁力搅拌器的三颈瓶中加入N-甲基咪唑和乙腈溶剂。
2. 缓慢滴加氯乙烷(冷凝管顶端接气球或导气管至通风橱),在氮气保护下,加热至回流温度反应24-48小时。
3. 反应结束后,用旋转蒸发仪蒸除溶剂乙腈和过量的氯乙烷,得到粘稠的[EMIM]Cl粗产品。
4. 纯化:
将粗产品溶于少量乙腈或丙酮中,加入大量乙酸乙酯或四氢呋喃进行重结晶([EMIM]Cl在这些溶剂中溶解度很差)。
过滤,用乙酸乙酯洗涤固体数次。
将得到的白色固体在高真空(例如<1 mmHg)下,于60-80°C干燥24小时,得到纯的[EMIM]Cl。充分干燥至关重要。
第二步:阴离子交换制备1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐 ([EMIM][BF₄])
1. 反应方程式:
[EMIM]Cl + NaBF₄ → [EMIM][BF₄] + NaCl↓
2. 试剂与仪器:
试剂: 上一步制备的纯[EMIM]Cl,四氟硼酸钠(NaBF₄),去离子水,二氯甲烷(CH₂Cl₂)
仪器: 分液漏斗,磁力搅拌器,旋转蒸发仪
3. 操作步骤:
1. 将纯化的[EMIM]Cl和等摩尔量的NaBF₄溶于最小量的去离子水中(水量刚好使两者溶解即可,水量过大会给后续萃取带来负担)。
2. 室温下剧烈搅拌反应混合物至少12小时,确保阴离子交换完全。
3. 反应完成后,溶液中会产生不溶于水的NaCl沉淀。用二氯甲烷多次萃取反应液(通常3-5次),合并有机相。
4. 用去离子水洗涤合并后的二氯甲烷相数次(例如3次),以除去残留的NaCl和NaBF₄。
5. 用无水硫酸镁或硫酸钠干燥有机相。
6. 过滤除去干燥剂,用旋转蒸发仪在低温(<40°C)下蒸干二氯甲烷,得到无色或淡黄色的粘稠液体,即为粗产品[EMIM][BF₄]。
4. 纯化:
将粗产品重新溶解于少量二氯甲烷中,并通过一个短的中性氧化铝柱,以吸附可能存在的杂质和水分。
再次旋蒸除去溶剂。
将最终产品置于高真空线或真空干燥箱中,在60-80°C下持续抽真空至少48小时,以彻底去除微量的水和溶剂。
方法二:一步法(酸酯法)
此方法使用三氟化硼乙醚络合物(BF₃·Et₂O)与1-乙基-3-甲基咪唑乙酸盐([EMIM][OAc])反应。
优点: 步骤短。
缺点: 原料[EMIM][OAc]可能不易得,BF₃·Et₂O具有强腐蚀性和毒性,操作危险,且产生的乙酸乙酯可能难以除尽。
1. 反应方程式:
[EMIM][OAc] + BF₃·Et₂O → [EMIM][BF₄] + CH₃COOEt₂
2. 操作步骤(简述):
1. 在冰水浴冷却和搅拌下,将BF₃·Et₂O缓慢滴加到[EMIM][OAc]中。
2. 滴加完毕后,撤去冰浴,室温下继续搅拌反应数小时。
3. 反应结束后,用旋转蒸发仪小心除去挥发性副产物(乙酸乙酯和过量的BF₃·Et₂O)。
4. 得到的粗产品需要用二氯甲烷溶解,并用水反复洗涤以去除残留的乙酸等杂质。
5. 后续的干燥和纯化步骤与两步法相同。
不推荐实验室使用此方法,除非对操作危险气体非常有经验。
注意事项与产品鉴定
1. 安全第一!
所有操作应在通风良好的通风橱中进行。
佩戴好防护眼镜、手套和实验服。
离子液体高温下可能分解,因此旋蒸和真空干燥时温度不宜过高。
2. 除水是关键!
离子液体极易吸湿,微量的水会严重影响其物理化学性质(如粘度、电导率)和在电化学中的应用。
必须进行长时间的高真空干燥。可以使用Schlenk线或真空干燥箱。
对于实验室合成,强烈推荐使用两步法。 它虽然步骤多,但安全性高,原料易得,纯化方便,是制备高纯度[EMIM][BF₄]的首选方法。