CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 1. Sơ lược về chất lỏng ion Chiết xuất bằng dung môi ra đời từ rất lâu và cho đến ngày nay vẫn là một trong những cách cơ bản truyền thống để phân lập các hợp chất hoạt tính sinh học từ thực vật, động vật. Quá trình này dựa trên việc trộn các mẫu vật với một dung môi phù hợp bằng cách sử dụng bất kỳ phương pháp chiết xuất nào. Một số kỹ thuật chiết xuất đã được công bố trong nhiều công trình khoa học và sản xuất như chiết xuất có hỗ trợ siêu âm, chiết chất lỏng điều áp, chiết xuất bằng lò vi sóng, chiết xuất hồi lưu nhiệt, chiết bằng lôi cuốn hơi nước và chiết xuất bằng dung môi.
Các dung môi truyền thống thường được sử dụng chủ yếu là các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi. Dung môi đóng vai trò hết sức quan trọng, dung môi có thể được chia thành hai loại: phân cực và không phân cực. Nói chung, các hằng số điện môi của dung môi phản ánh sơ bộ tính phân cực của dung môi. Tính phân cực mạnh của nước được lấy làm chuẩn, ở 20 C hằng số điện môi là 78,5.
Các dung môi có hằng số điện môi nhỏ hơn 15 thường o được coi là không phân cực. Về mặt kỹ thuật, hằng số điện môi phản ánh khả năng làm giảm cường độ trường điện của điện trường xung quanh một hạt tích điện nằm trong đó. Sự giảm đi này sau đó được so sánh với cường độ trường điện của các hạt tích điện trong chân không. Theo cách hiểu thông thường, hằng số điện môi của một dung môi có thể được hiểu là khả năng làm giảm sự tích điện nội bộ của chất tan và tính bền vững của quá trình (khả năng tái chế và khả năng sử dụng nhiều lần) có nghĩa là dung môi phải ổn định về mặt hóa học và vật lý, độ bay hơi thấp, dễ sử dụng và dễ dàng tái chế nhằm tái sử dụng.
Trong các hệ dung môi, nước là dung môi lý tưởng nhất về giá thành và môi trường. Tuy nhiên, nhiều chất không thể trích ly bằng loại dung môi này ngoại trừ một số hợp chất thu được khi sử dụng phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước. Các dung môi hữu cơ khác có nguồn gốc từ dầu mỏ, ancol, eter, ester… trong một thời gian dài là nền tảng của kỹ thuật tách chiết. Tuy nhiên những nhược điểm của chúng như dễ cháy nổ, bay hơi, độc hại…, ngày càng được chú trọng và cân nhắc trong sử dụng.
4 Các hệ dung môi sinh học (chủ yếu là các hệ terpene) có thể thay thế hệ dung môi truyền thống có nguồn gốc dầu mỏ như petroeter, n-hexane…nhưng có giá thành cao và khả năng tương thích với chất bị chiết cao nên việc tách sản phẩm cuối rất khó khăn [1-3]. Những vấn đề thực tế nói trên đã buộc các nhà nghiên cứu phải tìm ra những hệ dung môi mới và đó là nguyên nhân ra đời của chất lỏng ion (ILs). Trong những năm đầu của thế kỷ 20, một hệ chất lỏng ion mới dựa trên hỗn hợp của muối amonium bậc bốn (2-hydroxy ethyl trimethyl amoni chloride) với một số chất tạo liên kết hydro như amide, glycol hoặc acid carboxylic, để tạo thành một dung môi có khả năng hòa tan giá thành thấp và dễ tái chế hoặc tự phân hủy mà không gây ô nhiễm. Chất lỏng ion đầu tiên được công bố từ 1888 do S.Weiner [4] là ethanolamonium nitrate có điểm nóng chảy là 52-55 oC.
Mãi đến 1914, Paul Wanden [5] mới tổng hợp được một chất lỏng ion ở nhiệt độ phòng là ethylamonium nitrate [(C2H5) NH3+NO3-] với nhiệt độ nóng chảy là 12 oC. Chất lỏng ion là chất lỏng chỉ chứa toàn bộ ion mà không có các phân tử trung hòa. Chất lỏng ion được chia thành hai nhóm + Chất lỏng ion có proton (Protic ionic liquids-PILs) H A- HO R3 N+ + R3 C N A- R1 R R1 R 2 2 Chất lỏng ion dạng muối amonium Chất lỏng ion dạng amide + Chất lỏng ion không có proton (Aprotic ionic liquids-APILs) H H X- + N N R C(2) CH 3 R' Chất lỏng ion dạng imidazole Chất lỏng ion có proton được tạo thành thông qua chuyển proton từ một acid Bronsted để thành một base Bronsted. Các chất lỏng ion được xem là dung môi có tính chất thay đổi theo yêu cầu của người sử dụng do các tính chất vật lý như: nhiệt độ nóng chảy, độ nhớt, tỷ trọng, cân bằng ái nước, ái dầu của chúng có thể được thay đổi theo yêu cầu của phản ứng 5 cần thực hiện.
Những thông số này có thể điều chỉnh được bằng cách thay đổi cấu trúc của cation và anion hình thành nên chất lỏng ion. Các chất lỏng ion khi sử dụng làm dung môi sẽ có một số tính chất đặc biệt. - Các chất lỏng ion hoàn toàn không bay hơi và không có áp suất hơi. Do đó, chúng không gây ra những vấn đề liên quan đến cháy nổ, an toàn cho người vận hành cũng như đối với môi trường sống.
- Các chất lỏng ion có độ bền nhiệt cao và không bị phân hủy vì nhiệt trong một khoảng nhiệt độ khá rộng. Vì vậy, có thể thực hiện các phản ứng đòi hỏi nhiệt độ cao trong chất lỏng ion một cách hiệu quả. - Các chất lỏng ion có khả năng hòa tan tốt các chất khí như: H2, O2, CO, CO2. Do đó chúng là dung môi hứa hẹn cho các phản ứng cần sử dụng pha khí như hydro hóa xúc tác, carbonyl hóa, hydroformyl hóa, oxy hóa bằng không khí.
- Độ tan của chất lỏng ion phụ thuộc và bản chất cation và anion tương ứng, bằng cách thay đổi cấu trúc của các ion này, có thể điều chỉnh được độ tan của chúng phù hợp với yêu cầu. - Các chất lỏng ion mặc dù phân cực nhưng thông thường không tạo phức phối trí với các hợp chất cơ kim, các enzyme và các hợp chất hữu cơ khác. - Nhờ có tính chất ion, rất nhiều phản ứng hữu cơ được thực hiện trong dung môi chất lỏng ion thường có tốc độ phản ứng lớn hơn so với trường hợp sử dụng các dung môi hữu cơ thông thường, đặc biệt là khi có sự hỗ trợ của vi sóng. - Hầu hết chất lỏng ion có thể được lưu trữ trong một thời gian dài mà không bị phân hủy.
- Các chất lỏng ion là dung môi có nhiều triển vọng cho các phản ứng cần độ chọn lọc quang học tốt. Có thể sử dụng các chất lỏng ion có cấu trúc bất đối xứng để điều chỉnh độ chọn lọc quang học của phản ứng. - Các chất lỏng ion chứa chloroaluminate ion là những lewis acid mạnh, có khả năng thay thế cho các acid độc hại như HF trong nhiều phản ứng cần sử dụng xúc tác acid. Bên cạnh đó, chất lỏng ion còn có khả năng thu hồi và tái sử dụng xúc tác hòa tan trong chất lỏng ion, đặc biệt là các xúc tác phức của kim loại chuyển tiếp.
Trong những năm gần đây, chất lỏng ion được biết đến như một lựa chọn “xanh” để thay thế cho các dung môi hữu cơ thông thường nhờ vào những tính chất hóa lý nổi bật 6 như không có áp suất hơi, độ bền nhiệt cao, có khả năng hòa tan được nhiều hợp chất vô cơ và hữu cơ. Mỗi năm, trên thế giới có hàng ngàn công trình nghiên cứu về các phương diện khác nhau của chất lỏng ion nói chung và việc sử dụng chất lỏng ion làm dung môi xanh cho tổng hợp hữu cơ nói riêng đã được công bố trên các tạp chí chuyên ngành quốc tế có uy tín. Trong đó chất lỏng ion nguồn gốc từ muối alkylimidazolium bất đối xứng được nghiên cứu khá phổ biến với ứng dụng không chỉ trong lĩnh vực tổng hợp hữu cơ mà còn nhiều ngành khoa học công nghệ khác. Trong các thập niên 70, 80, 90 hàng loạt chất lỏng ion đã được tổng hợp và ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực công nghệ trong đó có thể kể ra một số ví dụ sau - Chất lỏng ion được sử dụng như là xúc tác: xúc tác cho phản ứng sinh hóa (biocatalysis), xúc tác tổng hợp hữu cơ, tổng hợp các hạt nano bằng phương pháp hóa học, xúc tác cho phản ứng polymer hóa [6-10].
- Chất lỏng ion đóng vai trò quan trọng trong xử lý sinh khối và sản xuất nhiên liệu sinh học từ sinh khối [11-15]. - Chất lỏng ion được sử dụng như là chất điện ly: Các chất điện ly này sử dụng trong công nghệ tế bào nhiên liệu (fuel cells), cảm biến (sensor), đồ trang sức (supercaps), làm sạch kim loại (metal finishing), mạ điện (electroplanting- electrodeposition) và điện phân (electrolysis) [16-20]. - Chất lỏng ion được sử dụng như là dung môi trong các kỹ thuật tách chiết các hợp chất hữu cơ, tách khí, tách chiết các kim loại trong đất hiếm, cũng như làm chất truyền dẫn nhiệt trong những phản ứng quan trọng [21-38]. - Chất lỏng ion được sử dụng như là một hóa chất đặc biệt: làm phụ gia cho dầu mỡ, nhiên liệu [39,40].
- Chất lỏng ion có thể là chất lưu trữ nhiệt mặt trời khá lý tưởng để sử dụng nguồn nhiệt này cho con người [41,42]. - Hai lĩnh vực đặc biệt quan trọng trong công nghệ cao là tinh thể lỏng (liquid cristal) và vật liệu đàn hồi (electroelastic material) trong công nghệ sản xuất robot [43-45]. - Trong công nghệ môi trường, đặc biệt là trong tái chế chất thải phóng xạ, chất lỏng ion là lựa chọn tối ưu và lý tưởng [46,47]. Bên cạnh đó, các chất lỏng ion mặc dù phân cực nhưng thông thường không tạo phức phối trí với các hợp chất cơ kim, các enzyme và các hợp chất hữu cơ khác nên có khả năng thu hồi và tái sử dụng.
7 Chất lỏng ion dùng xúc tác hòa tan, đặc biệt là xúc tác phức của kim loại chuyển tiếp. Mỗi năm, trên thế giới có hàng ngàn công trình nghiên cứu về các phương diện khác nhau của chất lỏng ion nói chung và việc sử dụng chất lỏng ion làm dung môi xanh cho tổng hợp hữu cơ nói riêng đã được công bố trên các tạp chí chuyên ngành quốc tế có uy tín. Trong đó, chất lỏng ion nguồn gốc từ muối alkylimidazolium bất đối xứng được nghiên cứu khá phổ biến với những ứng dụng không chỉ trong lĩnh vực tổng hợp hữu cơ mà còn nhiều ngành khoa học công nghệ khác. Chất lỏng ion được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực như sơ đồ sau 1.
Dung môi sâu (DES-deep eutectic solvent) thế hệ chất lỏng ion mới 1. Sơ lược về sự hình thành phát triển và ứng dụng của DES Những giá trị của chất lỏng ion thông thường đã được minh chứng hơn 20 năm qua.