Có một số lượng lớn các cation và anion được sử dụng để tổng hợp chất lỏng ion. Trong đó, các cation phổ biến nhất là imidazolium, pyridinium, phosphonium
17
và ammonium. Trong thực tế, phần lớn các chất lỏng ion được tổng hợp đều dựa trên hai cation chính: 1-alkyl-3-methylimidazolium và N-alkylpyridinium. Nhìn chung, phần lớn các chất lỏng ion được tổng hợp qua hai bước. Bước đầu tiên là thực hiện phản ứng alkyl hóa amine, phosphine hoặc sulfide để thu được cation mong muốn. Trong đó, tác nhân alkyl hóa được sử dụng phổ biến nhất là một alkyl halogenua. Các chất lỏng ion thu được sau bước này được gọi là chất lỏng ion thế hệ đầu tiên. Hiện nay, các alkyl ammonium halogenua thường được tổng hợp sẵn, hoặc chúng cũng có thể được hình thành từ amine và alkyl halogenua thích hợp.
Riêng đối với các mono-alkyl ammonium nitrate, việc tổng hợp chúng bằng phản ứng alkyl hóa thường ít được sử dụng do phương pháp trung hòa dung dịch nước của amine và axit nitric đạt hiệu quả cao hơn [20]. Trong bước thứ hai, các anion mong muốn được tạo thành bằng cách trao đổi anion với muối kim loại (như muối của bạc, chì) hoặc acid. Phản ứng này thường được thực hiện trong nước ở nhiệt độ phòng, hoặc có thể sử dụng một số dung môi hữu cơ [27].
Thời gian phản ứng trong từng bước phụ thuộc vào các alkyl halogenua và có thể được giảm đáng kể bằng cách sử dụng siêu âm hoặc chiếu xạ vi sóng. Tùy thuộc vào tính chất của các anion là kị nước hay ưa nước, chất lỏng ion có thể được rửa với nước để loại bỏ muối halogen hình thành hay tác chất chưa phản ứng. Đối với chất lỏng ion ưa nước, dung môi hữu cơ được thêm vào nhằm kết tủa các muối halogen, sau đó lọc bỏ kết tủa và thu được chất lỏng ion sản phẩm. Trong một số trường hợp chỉ bước trao đổi anion là cần thiết do có nhiều cation đã được tổng hợp sẵn, thường là một muối halogen. Các muối halogen hình thành có thể dễ dàng chuyển đổi sang các muối có anion khác. Nhìn chung, các phản ứng thường sử dụng chloroalkanes, bromoalkanes và iodoalkanes. Phản ứng của các haloalkanes giảm theo thứ tự I > Br > Cl. Các phản ứng hầu hết được thực hiện trong một bình cầu đáy tròn hai cổ có hệ thống sinh hàn hoàn lưu. Sau khi tổng hợp, chất lỏng ion được tinh chế bằng cô quay chân không để loại bỏ các tạp chất.
Khi sử dụng phương pháp khuấy từ gia nhiệt thông thường, phản ứng tổng hợp chất lỏng ion yêu cầu thực được hiện tại điều kiện nhiệt độ tương đối cao và kéo dài từ 8 – 72 giờ tùy thuộc vào loại alkyl halogenua. Vào năm 2001, Varma và các cộng sự đã nghiên cứu và tổng hợp chất lỏng ion dựa trên cation 1-alkyl-3-
18
methylimidazolium bằng phương pháp chiếu xạ vi sóng trong thời gian ít hơn 2 phút và hiệu suất đạt gần 70% [76]. Cũng theo nghiên cứu của Khadilkar và Rebeiro trong năm 2001, chất lỏng ion họ imidazolim, pyridinium và litidinium cũng đã được tổng hợp bằng phương pháp chiếu xạ vi sóng với hiệu suất cao hơn 30%
[45]. Chất lỏng ion [Bmim][Br] đã được tổng hợp bởi nhóm nghiên cứu của G. L.
Rebeiro với hiệu suất trên 99% ở điều kiện chiếu xạ vi sóng, công suất 750 W trong thời gian 150 giây [46]. Trong khi đó, quy trình tổng hợp truyền thống cần 3 – 6 giờ để đạt độ chuyển hóa tương ứng.
Ở Việt Nam, nhóm nghiên cứu của các tác giả Nguyễn Thị Mai Hương và Lê Ngọc Thạch đã tổng hợp một số chất lỏng ion N-alkyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate bằng ba phương pháp: chiếu xạ vi sóng, khuấy từ gia nhiệt và siêu âm [2]. Đối với chiếu xạ vi sóng, tác giả sử dụng phương pháp chiếu xạ gián đoạn mỗi lần 30 giây với công suất 80W. Kết quả nghiên cứu cho thấy ở cùng điều kiện nhiệt độ và thời gian, hiệu suất phản ứng dưới sự chiếu xạ vi sóng cao hơn khuấy từ gia nhiệt còn phương pháp siêu âm cho hiệu suất cao nhất. Việc sử dụng phương pháp chiếu xạ vi sóng tuy cần ít thời gian phản ứng so với hai phương pháp còn lại nhưng nó có nhược điểm là thất thoát nhiều nguyên liệu do bay hơi. Đồng thời, do năng lượng vi sóng rất mạnh nên dễ xảy ra quá nhiệt cục bộ, dẫn đến dễ làm biến đổi màu sản phẩm do oxi hóa. Vì vậy, chiếu xạ gián đoạn là được xem là một giải pháp hợp lý để hạn chế hiện tượng này.
Quy trình tổng hợp chất lỏng ion hiện nay chủ yếu được thực hiện trong điều kiện chiếu xạ vi sóng do những ưu điểm nổi bật như: mức tiêu thụ năng lượng thấp và thời gian phản ứng nhanh, không tiêu tốn nhiều lượng dư haloalkane. Tuy nhiên, so với phương pháp khuấy từ truyền thống, phương pháp chiếu xạ vi sóng có chi phí cao hơn và trong điều kiện nhiệt độ trên 750C chất lỏng ion dễ bị đổi màu. Sử dụng phương pháp gia nhiệt thông thường ở bước đầu tiên trong quy trình tổng hợp tốn khá nhiều thời gian và thường yêu cầu một lượng dư haloalkane (10 – 400%) để đạt được hiệu suất cao [22].