离子液体在电化学中作为辅助剂的用途制造技术

本发明专利技术涉及离子液体在电化学中作为辅助剂的用途。更特别地，本发明专利技术涉及离子液体用于使至少一种有机分子在水相中增溶或者增加其水溶解度的用途。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】离子液体在电化学中作为辅助剂的用途
本专利技术涉及离子液体在电化学中作为辅助剂的用途。更特别地，本专利技术涉及离子液体用于使至少一种有机分子在水相中增溶或者增加其水溶解度的用途。
技术介绍
溶液是大量的化合物和少量的化合物的混合物。大量的化合物被称作溶剂，并且少量的化合物被称作溶质。所获得的溶剂和溶质的混合物构成由于在溶质和溶剂之间存在分子间相互作用而保持均匀的液相。该现象被定义为溶解并且限于一定量的溶质，超过该一定量则达到饱和。在该阶段，溶质不再溶解并且溶液变得不均匀。多余的溶质导致形成第二相，该第二相通常为固体性质，但是其可有时以与初始溶液不混溶的液体形式出现。为了优化分子的增溶，最简单的方法是基于以单位为德拜(D)的偶极距μ表征的所述分子的极性推断。因而，非极性有机分子将可溶于非极性或者具有低极性(μ<1D)的溶剂如己烷、环己烷、四氯化碳、甲苯等中。相反地，极性分子的溶解通过极性溶剂(μ>1.5D)如水、二甲基亚砜(DMSO)、丙酮等而改善。在以获得大量的期望产品为目的的化学合成的情况下，分子在溶剂中的低溶解度是制约因素。该限制必然导致使用增加体积的溶剂，这很快变得难以处理。然而一旦有必要在导电的溶液中溶解分子，该制约因素会变得难以克服。在这方面，有必要一方面考虑导电盐的溶解，另一方面考虑有机分子的溶解。可被称为分子电解质溶液的这些溶液特别指向通过电化学(电合成)方式的合成以及用于电化学存储(电池和蓄电池)的方法。它们的实施涉及被证明彼此产生相反作用的两个溶解步骤。第一步骤在于溶解离子盐(例如：NaCl、Na2SO4、KOH、KCl等)，其目的在于释放至少0.1mol/L的正电荷和负电荷以便确保离子电导率。盐的溶解通过极性溶剂促进，并且解离电荷的能力通过溶剂的相对介电常数值εr测量。介电常数增加的极性溶剂如水(εr＝80)容易分离正电荷和负电荷。相比之下，低介电常数的溶剂如乙酸(εr＝6.2)不分离电荷并且优选地形成导致低离子电导率的离子对。第二步骤在于溶解有机分子。令人遗憾的是，具有最大解离能力的极性溶剂如水、碳酸丙烯酯或甲酸由于它们的特性而是用于增溶这些通常包含低极性或非极性基团(如脂族或者芳族基团或者一种或多种非离子化官能团如：-NH2；-COOH；SO3H等)的分子的非常不良的溶剂。最后，这些分子优选地可溶于非极性溶剂中。总之，为了开发分子电解质溶液，溶剂应当既是极性的又是非极性的并且应当具有增加的相对介电常数。令人遗憾的是，具有这些参数的溶剂并不存在。以下的实例说明了该问题。传统的盐例如NaCl、KCl、Na2SO4非常可溶于相对介电常数增加的极性溶剂中。应当注意，由于这两个参数(极性以及介电常数)的组合，水是唯一能够形成下述这样的溶液的溶剂：该溶液的离子电导率使得能够在浸没于该溶液中的两个电极之间实现1A/cm2的电流强度。令人遗憾的是，水是在增溶含有非极性基团的有机分子方面不太有效的溶剂。相反，对有机分子非常增溶的有机溶剂如二氯甲烷将不溶解或者将仅较差地溶解传统的离子盐，这使得其成为非常差的电流导体。不过存在中间的溶剂，例如可同时溶解有机分子和离子盐的DMSO。然而，由于其相对介电常数的缺点，DMSO是很难带来任何解离的溶剂，其导致出现很少的溶解的电荷，这限制了该介质的离子电导率。因此，目前溶解度的增加仅可通过改变电解质盐或者有机分子的性质来提供。然而这两种转变很快显露了它们的局限性：电解质盐：有机分子优选地可溶于有机溶剂(二氯甲烷、乙腈等)中并且因此所关心的是在有机介质中增溶正电荷和负电荷以便提供电解质溶液。一种解决方案是使用其中正电荷或者负电荷被非极性环境保护的分子离子。例如对于四正丁基六氟磷酸铵就是这种情况。事实上，在四正丁基铵的情况下，对于每一个离子，电荷被约束在分子结构中心，并且考虑到非极性环境，表面电荷密度是低的，这导致这些离子与高极性或者低极性的有机溶剂的亲和性。该方法导致盐的良好增溶，但是却导致离子的低解离。溶液的电导率保持低，并且考虑到这些盐的非常高的购买价格，在这些条件下提供工业电解方法似乎不大可能。该技术仅表现在分析水平，其仅利用在cm3范围内的低溶液体积。有机分子：该策略与前一种相反。其基于溶剂的考虑，利用该溶剂离子电导率是最高的。水就是这种情况，水是最佳的候选者，因为在高浓度下的非有机离子盐(NaCl、Na2SO4等)的溶解并不造成任何问题。另外，通过使用由无机化合物NaOH、KOH、HCl、H2SO4等释放的OH-或者H3O+离子可控制溶液的pH。在这种情况下，仅可在以下这样的某些条件下执行有机分子的增溶：-当分子携带–OH官能团(在糖的情况下)或者较低程度的SH官能团(在一些氨基酸的情况下)时。-当在溶液中出现以下可离子化的官能团时：-NH3+，-COO-，-SO3-。该策略在低分子量的有机分子的情况下是令人满意的，在该情况下与水和增溶性官能团的相互作用是强的。相比之下，一旦脂族链以及芳族环在尺寸上增加(这是通常情况)，则强制它们伴随有大量的离子化官能团以便确保分子的溶解度。因此，有必要提供相继的化学合成步骤以便官能化目标分子。该方法是困难的，并且成本取决于所设想的步骤数而增加。另外，存在一旦进行各种改性，它们将导致改变分子最初的化学性能的风险。当进行电化学方法时，电活性有机分子在导电溶液中的增溶因此是主要的问题。该困难与载体电解质以及具有不同物理化学性能的有机分子在同一溶剂中的增溶有关。最适合的方法是化学改性有机分子或者载体电解质以便优化它们与适合的溶剂的亲和性。然而，溶解度的这种增加基于提供多个化学合成步骤的需求，其很快被证明是繁琐的。因此，在工业环境中，该方法不适合用于提供具有增加的分子浓度的高体积分子电解质溶液。
技术实现思路
因而，本专利技术的目的之一在于增加可溶或者难溶有机分子在水溶液中的溶解度而不成倍增加合成步骤。本专利技术进一步的目的在于使不可溶于水溶液中的有机分子增溶而不成倍增加合成步骤。本专利技术进一步的目的在于提供用于使有机分子水性增溶的方法。本专利技术进一步的目的在于提供用于进行电化学存储方法的电解装置。本专利技术也涉及至少一种离子液体用于增加至少一种有机分子在含有至少一种无机盐的水溶液中的溶解度并且获得电解质溶液的用途，其中所述至少一种离子液体以及所述至少一种有机分子以至少基本上化学计量的量存在于所述水溶液中。本专利技术人已经令人惊讶地发现，向至少一种可溶或者难溶于水溶液的有机分子添加至少基本上化学计量的量的离子液体使得能够增加所述分子在水溶液中的溶解度。在本专利技术的意义内，表述“增加至少一种有机分子(…)的溶解度”是指在不存在离子液体的情况下，有机分子在所考虑的水溶液中不可溶、难溶或者可溶。对于不可溶的有机分子，离子液体的添加使得能够在水溶液中实现0.1M的有机分子浓度。对于难溶或者可溶的有机分子，离子液体的添加使得能够将有机分子在水溶液中的浓度乘以1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5或者甚至5倍。在水溶液中溶解度的这种增加的倍数取决于所考虑的有机分子的分子量。术语“水溶液”是指主要包含水的液相。该液相可任选地还包含一种或者多种添加剂。添加剂是以少量添加的化合物或者化合物的混合物，其作用是改变溶液的性能。在本专利技术的意义内，术语“添本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.至少一种离子液体用于增加至少一种有机分子在含有至少一种无机盐的水溶液中的溶解度并且获得电解质溶液的用途，其中所述至少一种离子液体以及所述至少一种有机分子以至少基本上化学计量的量存在于所述水溶液中。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.06.10 FR 16/553731.至少一种离子液体用于增加至少一种有机分子在含有至少一种无机盐的水溶液中的溶解度并且获得电解质溶液的用途，其中所述至少一种离子液体以及所述至少一种有机分子以至少基本上化学计量的量存在于所述水溶液中。2.根据权利要求1的至少一种离子液体的用途，所述至少一种离子液体包含亲水性阴离子和芳族杂环阳离子或脂族阳离子；所述亲水性阴离子尤其选自甲烷硫酸根、乙烷硫酸根、氯化根、碘化根、四氟硼酸根、硫氰酸根、二氰胺、三氟乙酸根、硝酸根或者六氟磷酸根阴离子，优选选自甲烷硫酸根、乙烷硫酸根、四氟硼酸根或者二氰胺阴离子；所述芳族杂环阳离子尤其选自咪唑、吡啶或者喹啉；或者所述脂族阳离子尤其选自铵；所述至少一种离子液体更优选选自化学式(I-a)的乙烷硫酸吡啶，化学式(I-b)的乙烷硫酸咪唑，化学式(I-c)的甲烷硫酸咪唑，化学式(I-d)的二氰胺咪唑，化学式(I-e)的四氟硼酸咪唑，化学式(I-f)的甲烷硫酸喹啉，或者化学式(I-g)的甲烷硫酸铵：3.根据权利要求1或2之一的至少一种离子液体的用途，所述至少一种离子液体以相对于溶液的总体积计为5至20％、尤其为10至20％、甚至更尤其为10％的体积百分比存在。4.根据权利要求1至3之一的至少一种离子液体的用途，所述至少一种有机分子是极性的或者非极性的；和/或所述至少一种有机分子是电活性的；和/或所述至少一种有机分子具有100至600g/mol、尤其为100至200g/mol或者200至600g/mol的分子量；和/或所述至少一种有机分子尤其具有1至4个稠合芳环、优选1至3个稠合芳环、更优选1个芳环或者3个稠合芳环；和/或所述至少一种有机分子在至少一个位置上被羟基化；尤其是，所述至少一种有机分子选自醌类、儿茶酚类、萘醌类、邻萘醌类或蒽醌类的族，优选选自化学式(II-a)至(II-i)的化合物：5.根据权利要求1至4之一的至少一种离子液体的用途，所述至少一种有机分子在没有离子液体的水中具有0M至小于0.1M的值的溶解度；或者所述至少一种有机分子在没有离子液体的水中具有0.1M至0.2M的溶解度；或者所述至少一种有机分子在没有离子液体的水中具有0.2M至0.5M的溶解度。6.根据权利要求1至5之一的至少一种离子液体的用途，所述至少一种无机盐...

【专利技术属性】
技术研发人员：D·福伦诺，L·帕奎，S·吉赫内夫，F·詹尼斯特，J·P·巴苏雷奥，
申请(专利权)人：雷恩第一大学，国家科研中心，
类型：发明
国别省市：法国,FR