1-甲基-3-烷基咪唑类离子液体结构和性能的理论研究

摘要

在过去的几十年里，离子液体吸引了越来越多的注意力，作为一个新兴领域，室温离子液体在化学上开阔了我们的视野，尤其是在绿色化学方面。它们拥有良好的化学物理性质，如具有良好的溶解性和可忽略的蒸气压，正因为这些良好的性质，室温离子液体具有广泛的应用，例如它们可以作为有机溶剂、润滑剂以及液晶材料等。对离子液体的理论研究有助于从微观方面更深刻的了解离子液体，为解释离子液体性质与结构之间的关系以及离子液体的优良性能提供了重要支持。
　　 本论文从量子化学和分子模拟两方面分别对离子液体多离子对结构和氢键网络性质进行了研究，得出的有价值结论如下:
　　 1、用gaussian03程序优化了1-甲基-3-烷基四氟化硼离子液体多个离子对的构型，这些离子对有单个离子对构型，也有多个离子对构型，还有阴离子数和阳离子数不相等的构型，得到稳定构型后分析了阴、阳离子的相对位置关系和阴离子的存在对阳离子构型的影响，分析结果显示单个离子对时四氟化硼阴离子总是会出现在咪唑环以及与咪唑环相连的甲基、亚甲基附近，并且形成氢键最强的部位在咪唑环上的C3位氢上，多个离子对的优化结果表明阴离子确实会影响阳离子的构型，引起阳离子烷基链的弯曲，但弯曲的幅度对不同的初始构型是不一样的，初始构型摆放时如果阴阳离子排列紧密，那么阳离子烷基链的弯曲幅度会很明显，如果初始构型摆放时阴阳离子排列疏松，则阳离子烷基链的弯曲幅度就会很小。
　　 2、用gromacs4.0.5程序分别对六种216对1-甲基-3-烷基四氟化硼离子液体进行了分子动力学模拟，力场参数是Lope和Padua根据OPLS-AA/AMBER力场改进的力场参数，模拟之后取平衡后的一个快照用HABT软件列出此快照中所有的强氢键，并用Cytoscape软件对氢键网络进行了分析，并且做出了氢键网络的二维图像，然后用VMD软件单独显示出了形成零个氢键离子的立体图像。通过分析得出六种1-甲基-3-烷基咪唑类离子液体通过氢键连接起来的网络中，其线型结构的平均连接节点数为2.44到2.77。这些性质与离子液体的物理性质密切相关。还计算和分析了每个离子的“度”即离子周围通过氢键连接的异性离子的个数，大多数的节点度数为1-3，这表明在氢键网络结构中的主要连接类型是线型和T字型。其中有些所形成氢键数为零的节点，它们被用来描述离子液体团簇的边界，这些都表明网络的分析方法对理解和预测室温离子液体的结构和功能是非常有用的。