卤代功能化离子液体的结构和性质的理论研究及其实验验证

Ionic liquids, environmentally benign green solvents, have gained widespread applications in many field of chemistry. In recent years, halogenated ionic liquids have attracted a great deal of interest,due to their unique structures and properties. The aim of this project is to study the microstructures , dynamic features and absorption properties of a series of halogenated ionic liquids using quantum chemical calculations, molecular dynamics simulation and experimental measurements.The research contents include exploring the impact and cooperativity effects of electrostatic forces,pi-pi stacking interactions, hydrogen and halogen bonds,quantitative elucidation of the structure-property relationship of ionic liquids,and understanding the dissolution mechanism of acid gas in halogenated ionic liquids. Moreover,based on the theoretical results,some representative halogenated ionic liquids will be designed and synthesized and then the solubility of CO2 and SO2 in these ionic liquids will be systematically determined. This project can provide basic data and theoretical guidance in the development of novel functional ionic liquids.

离子液体作为环境友好的绿色溶剂具有巨大的应用潜力。近年来，由于特殊的结构和性质，卤代离子液体已得到关注。本项目以一系列卤代离子液体为研究对象，以其在酸性气体捕集分离中的潜在应用为背景，通过采用量子化学计算、分子动力学模拟和实验测试相结合的手段研究卤代离子液体的微观结构、动力学行为和吸收性质，包括探讨静电作用、pi-pi作用、氢键和卤键等相互作用的影响规律及协同作用机制,阐明离子液体结构与性能之间的定量关系以及从分子水平上理解酸性气体在卤代离子液体中的溶解机理。并且在理论指导下设计合成有代表性的卤代离子液体，系统测试CO2和SO2气体在其中的溶解度，为新型功能化离子液体的开发提供基础数据和理论支持。

卤代是设计和合成新型功能化离子液体的一种重要方法，但是人们往往忽视了卤素原子的非共价相互作用对离子液体性质的影响。本项目采用量子化学计算、分子动力学模拟和实验测试相结合的手段研究一系列卤代离子液体的微观结构、动力学行为以及酸性气体在其中的吸收性质。主要内容包括（1）采用从头算和密度泛函方法研究卤代离子对和离子对簇中的分子间作用力（如卤键、氢键、pi-pi堆积作用等），深入分析它们的结构和能量特征及物理本质；（2）利用分子动力学和第一性原理动力学研究代表性卤代离子液体的微观结构、动力学行为以及酸性气体在其中的扩散行为、径向分布和作用方式等；（3）结合量化计算和动力学的结果，设计粘度适当、热稳定性高、能高效吸收的卤代功能化离子液体，在此基础上合成并测试相应的性质。结果发现离子对中的卤键强度远大于常规卤键的强度，并且表现出一定的共价性；静电作用力对卤键的稳定性起到了决定性作用，而色散力所起的作用很小。这些结果对于探讨卤代离子液体的微观性质具有重大意义。其次，卤代离子液体热稳定性较高、粘度较大，但其自由体积相对较大并且与酸性气体间存在卤键相互作用，因此卤代可以作为设计能高效吸收酸性气体离子液体的一种重要手段。总之，通过本项目的研究，我们确定了卤代离子液体的微观结构和动力学行为，建立了离子液体中卤键的可靠力场，明确了酸性气体在卤代离子液体中的溶解机制，阐明了离子液体的结构和性能之间的内在联系，为功能化离子液体的设计和开发提供了新的思路。