离子液体[BMIm]Cl的合成与表征

摘 要：为挖掘离子液体与环境友好 “洁净”溶剂方面的潜力，以N-甲基咪唑为原料，合成了[BMIm]Cl离子液体，并利用红外光谱仪和核磁共振谱仪对其化学结构进行表征，而且使用了Materials Studio 5.5计算工作站对其进行了分子建模，并使用Dmol3模块对其结构进行了量子化学计算和优化，离子液体的结构得到了验证。

关键词：离子液体；合成；红外光谱；核磁共振；量子化学计算

1 实验部分

1.1 试剂

N-甲基咪唑（工业级，浙江临海化工厂），氯代正丁烷（n-BuCl，AR），氢氧化钠（NaOH），浓硫酸（H2SO4），碳酸氢钠（NaHCO3），乙酸乙酯（EA），高纯氮气（N2）。

傅立叶变换红外光谱仪测试系统（Nicolet 8700，美国热电仪器公司），超导傅立叶数字化核磁共振谱仪（AVANCE III 400 MHz，瑞士布鲁克公司），数显恒温搅拌油浴锅（HH-S4，金坛市白塔金昌实验仪器厂），真空干燥箱（101A-3，上海实研电炉有限公司）。

1.3 方法与步骤

1.3.3 [BMIm]Cl的表征 利用红外光谱仪和核磁共振谱仪（CDCl3作溶剂）对合成的离子液体[BMIm]Cl的化学结构进行表征。

1.3.4 [BMIm]Cl的量子化学计算 使用Materials Studio 5.5计算工作站对[BMIm]Cl进行了分子建模，并使用Dmol3模块对其结构进行了量子化学计算和优化。

2 结果与讨论

2.1 [BMIm]Cl的合成反应式

N-甲基咪唑和氯代正丁烷反应合成离子液体[BMIm]Cl的反应方程式如图3所示。

2.2 [BMIm]Cl的红外结构表征

1 570（ν C=N）； 1 465（β C-H）；1 169（δ C-H）； 754 （δ 咪唑环）。

尽管由于电负性差异造成实测谱图与理论谱图在化学位移上略有差别，但从峰强度和H分布基团角度来看，所合成的物质可判定为[BMIM]Cl，且其杂质较少，含水量低于1%。

[BMIM]Cl分子是通过离子氢键将阳离子[BMIM]+与阴离子Cl-结合而形成，其间会有电子转移，但[BMIM]+因电子云密度较小而显正电性，Cl-则显负电性。根据理论推测，[BMIM]Cl分子的HOMO应该大部分存在于Cl-上，而LUMO则会集中出现在[BMIM]+上。量化计算结果证明了这种推测，如图6所示。

图6a中，[BMIM]Cl分子的HOMO全部存在于Cl-上，因为阴离子在形成过程中，由于电子在Cl-轨道中转移，使其轨道更易填满。由于HOMO的存在，Cl原子轨道能级为所有填充轨道中最高的。而图6b所示的LUMO大部分出现在[BMIM]+部分，且主要集中于咪唑环上，这是由于丁基与N原子结合后，在N-C-N三个原子之间形成一个由两个电子与一个空轨道组成的大π键，与H2有很强的H-π共轭效应，可以形成较强的分子内氢键，令整个离子因缺少一个电子而显正电性，且正电荷存在于咪唑环内。LUMO的存在说明若有多余电子，咪唑环上的空余分子轨道将被优先填充。

对比图5实测数据可明显发现，咪唑环上CH=CH对应化学位移左偏，咪唑环上N=CH-N和甲基侧链右偏，该现象也可用上述HOMO和LUMO进行解释。

3 结论

本文通过合成了离子液体[BMIM]Cl，对其IR、1HNMR谱图进行了综合分析，表明所合成的离子液体[BMIM]Cl杂质较少，含水量低于1%，并通过理论计算，均使得离子液体的结构与理论吻合，为该类型离子液体的合成、应用研究提供了帮助。