Chất lỏng ion có nhiều tính chất hóa lý có giá trị. Sau đây là những tính chất quan trọng nhất:
- Tính đa dạng
- Nhiệt độ nóng chảy thấp - Áp suất hơi rất thấp - Ổn định nhiệt và điện hóa - Phân cực
- Dẫn điện và nhiệt
Có thể điều chỉnh được các tính chất, ví dụ: tính axit, tính tan, độ nhớt, khả năng cộng kết, hoạt tính hóa học.
Tính đa dạng của chất lỏng ion được thể hiện ở chỗ sự kết hợp các anion và các cation khác nhau có thể tạo ra một số lượng lớn các chất lỏng ion với các tính chất khác nhau.
Nhiệt độ nóng chảy thấp cho phép chúng tồn tại ở thể lỏng ở nhiệt độ thấp, nhờ đó có thể thực hiện các quá trình ở nhiệt độ thấp khi sử dụng chúng làm xúc tác và dung môi.
Những chất lỏng ion là những chất không bay hơi hay áp suất hơi rất thấp, nhờ đó có thể sử dụng chúng trong những hệ thống có độ chân không cao và thay thế cho các dung môi bay hơi hiện tại trong quá trình hóa học [16]. Điều này làm giảm được chi phí và ô nhiễm môi trường do các dung môi dễ bay hơi gây nên. Ngoài ra có thể tách sản phẩm bằng chưng cất mà không bị nhiễm bẩn bởi dung môi.
Hầu hết các chất lỏng ion đều bền nhiệt (tới 100oC hoặc cao hơn) và tương hợp tốt với các chất hữu cơ và vô cơ. Do đó chất lỏng ion càng được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
Chất lỏng ion thường bao gồm các ion lien kết phối trí yếu ớt, do vậy chúng có khả năng trở thành những dung môi phân cực cao không chứa lien kết phối trí, đây là nét riêng biệt quan trọng khi sử dụng xúc tác kim loại chuyể tiếp.
Độ tan của các chất lỏng ion rất quan trọng cho các quá trình xúc tác. Sự khác nhau về độ tan của chất đầu, sản phẩm, chất xúc tác trong chất lỏng ion là cần thiết để dễ dàng phân tách sản phẩm. Những hiểu biết về tính tan của chất lỏng ion với các dung môi khác rất quan trọng trong quá trình chiết và tách ở các hệ thống hai pha.
Chất lỏng ion có khả năng hòa tan trong rất nhiều dung môi hữu cơ phân cực. Tính chất hòa tan tốt nhiều chất nền hữu cơ và vô cơ cho phếp kích thước của các thiết bị mấy móc nhỏ hơn và làm giàu không gian trống. Một số chất lỏng ion hoà tan rất tốt trong nước, một số khác lại kỵ nước (hydrophobic). Chính vì thế, chất lỏng ion được sử dụng như dung môi cho nhiều phản ứng đặc biệt. Nhiều phản ứng cổ điển khi khảo sát sử dụng chất lỏng ion thì hiệu suất tăng lên đáng kể có khi đến 100%, ví dụ như phản ứng của CO2 với ankyl oxit sản xuất ankyl carbonat [17] (một hợp chất có nhiều ứng dụng). Chất lỏng ion còn có tác dụng như xúc tác chuyển pha. Ví dụ như để điều chế ankyl nitril (CnHmCN), ta có thể cho ankyl halogen CnHmX (X=Cl, Br, I) tác dụng với NaCN. Tuy nhiên hỗn hợp phản ứng tồn tại hai pha, một pha là NaCN tan trong nước, một pha là chất hữu cơ không tan trong nước, cho nên không thể xảy ra phản ứng trao đổi giữa nhóm thế halogen và anion CN-, nhưng nếu ta thêm vào hỗn hợp một lượng muối hữu cơ, ví dụ amoni clorit, thì phản ứng sẽ xảy ra. Trong trường hợp này, muối hữu cơ amoni là "cầu nối" tiếp xúc cho hai tác nhân khác nhau nằm trong hai pha lỏng.
Một đặc tính quan trọng của chất lỏng ion là các tính chất vật lý và hóa học của chúng có thể điều chỉnh “thiết kế” được, hoặc bởi sự thay đổi các ion hoặc bởi sự biến đổi hóa học các ion.
Huddleston và cộng sự đã nghiên cứu các tính chất vật lý của các dãy chất lỏng ion kỵ nước và ưa nước được cấu tạo từ 1-ankyl-3- metylimidazol [16]. Kết quả cho thấy hàm lượng nước, tỷ trọng, độ nhớt, sức căng bề mặt, nhiệt độ nóng chảy, độ ổn định nhiệt thay đổi khi thay đổi chiều dài của gốc ankyl với một anion cố định hoặc khi thay đổi bản chất của anion với một cation cố định.
Chất lỏng ion được sử dụng như là dung môi và xúc tác làm tăng tốc độ phản ứng, độ chọn lọc cũng như hiệu suất [14]. Tuy nhiên, các chất lỏng ion đôi khi bị coi là môi trường ăn mòn. Nhưng ngày nay chúng ta đang phát triển một loại chất lỏng ion không chứa halogen trên cơ sở sunfat hoặc photphat (không còn vấn đề ăn mòn liên quan đến sự tạo thành HX và không gây ô nhiễm môi trường), ngoài ra chúng còn cải thiện được tính chọn lọc định hướng sắp xếp và cấu trúc phân tử sản phẩm.
Vì các tính chất đã đề cập ở trên mà có thể dễ dàng tìm được một chất lỏng ion thích hợp nhất cho một ứng dụng hoặc thậm chí có thể phát triển một chất lỏng ion mới nhờ sự kết hợp cation và anion dựa trên những hiểu biết về chúng.
1.4.1.2 Phân loại
Việc phân loại các chất lỏng ion có thể dựa trên rất nhiều căn cứ như: các tính chất lý hoá, các tính năng cơ bản, ứng dụng…
Dựa trên cấu tạo: - Các dẫn xuất imidazol. - Các dẫn xuất pyridin.
- Các chất lỏng ion không chứa halogen.
Dựa trên cation thì chất lỏng ion gồm có 3 nhóm chính:
Nhóm cation amoni bậc 4 (quaternary ammoni cation): Đây là nhóm phổ biến nhất gồm các loại cation như imidazoli, morpholini, pyrrolidini, pipperidini, ammoni, piperazini, pyridini... Ở trạng thái hóa trị 3, nitơ vẫn còn một cặp electron nên trở thành một chất nhường electron có khả năng phản ứng với các tác nhân nucleophin để hình thành nitơ mang điện tích dương.
Nhóm cation photphoni với nguyên tử mang điện dương là photpho (P).
Nhóm sunphoni cation với nguyên tử mang điện dương là nguyên tử lưu huỳnh (S).
- Sunfat (HSO4-); - Axetat (CH3COO-);
- Triluoro-axetat (CF3COO-);
- Bis (triflorometansulfonyl) imide (CF3SO2)2N- ) hay viết tắt là TFSI hoặc NTf2; - Hexaflorophotphat (PF6-);
- Tetrafloroborat (BF4);
- Triflorometansulfonat hay còn gọi là tripflet Tf3 (CF3SO3- ); - Aluminat (Al2O7-);
…..