Ionic Liquid (IL) có thể dịch sang tiếng Việt là "chất lỏng ion". Sở dĩ gọi như thế vì khác với các chất lỏng khác trong tự nhiên, IL là muối dạng lỏng ở điều kiện thường (quy định là <100°C) cấu thành bởi các cations (ion dương) và anion (ion âm).
1/ Tính chất của chất lỏng ion
Do đặc tính này, IL có những tính chất đặc biệt sau đây:
- Gần như không tồn tại áp suất hơi. ILs là muối dạng lỏng, cho nên các ion âm và dương tương tác với nhau rất mạnh, không tách ra khỏi pha lỏng ở điều kiện thông thường. Và hầu hết các ILs là muối hữu cơ có điểm phân hủy nhiều lắm là 300-350oC, nếu tiếp tục gia nhiệt thì muối sẽ phân hủy chứ không bay hơi.
- ILs có độ dẫn ion khá cao, ở nhiệt độ 25°C, các ILs có nhân cation (core) là 1,3-dialkyl-imidazolium có thể có độ dẫn ion khoảng vài chục mS/cm (Simend là đơn vị nghịch đảo của đơn vị điện trở kháng Ohm).
- ILs là muối, cũng như nhiều muối hữu cơ khác, nhưng có khả năng hòa tan trong rất nhiều dung môi hữu cơ phân cực. Một số ILs hòa tan rất tốt trong nước, một số khác kỵ nước (hydrophobic). Chính vì thế, tùy theo lựa chọn, ILs được sử dụng như dung môi cho nhiều phản ứng đặc biệt. Nhiều phản ứng cổ điển vốn đã biết khi khảo sát sử dụng ILs thì hiệu suất tăng lên đáng kể có khi đến 100%, ví dụ như phản ứng của CO2 với Alkylene Oxide sản xuất Alkylene Carbonate (một hợp chất có nhiều ứng dụng). ILs còn có tác dụng như xúc tác pha dẫn. Ví dụ như để có alkyl nitrile (CnHmCN), ta có thể cho alkyl halogen (CnHmX) (X=Cl , Br, I) tác dụng với NaCN. Ai cũng biết rằng một bên 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 ammonium chloride, thì phản ứng sẽ xảy ra. Trong trường hợp này, muối hữu cơ ammonium là "cầu nối" tiếp xúc cho hai tác nhân khác nhau nằm trong hai pha lỏng.
ILs khá bền nhiệt mà lại không bay hơi trong điều kiện 2-300°C, đó là tiêu chuẩn lý tưởng để ILs trở thành một dung môi an toàn cho môi trường (green solvents)
2/ Cấu trúc của ILs
Dựa trên phân loại cations, thì ILs có 3 nhóm chính:
- Nhóm quaternary ammonium cation, đây là nhóm phổ biến nhất gồm các loại cation như imidazolium, morpholinium, pyrrolidinium, pipperidinium, ammonium, piperazinium, pyridinium ... Ở trạng thái hóa trị 3, nitrogen vẫn còn một cặp electron nên trở thành một electron donor có khả năng phản ứng với các tác nhân nucleophilic để hình thành nitrogen mang điện tích dương.
- Nhóm phosphonium cation với nguyên tử mang điện dương là phospho (P) .
- Nhóm sulphonium cation với nguyên tử mang điện dương là nguyên tử lưu huỳnh (S).
Dựa trên phân loại anion thì ILs vô cùng đa dạng: acetate (CH3COO-), trìluoro-acetate (CF3COO- ), bis(trifluoromethanesulfonyl)imide ( CF3SO2)2N- ) hay viết tắt là TFSI hoặc NTf2, hexafluorophosphate (PF6- ), tetrafluoroborate (BF4), trifluoromethanesulfonate hay còn gọi là tripflet Tf3 (CF3SO3- ) ...
3/ Những dẫn xuất ILs đặc biệt
a/ Muối lithium lỏng
Sở dĩ ILs là muối nhưng có dạng lỏng là bởi vì điện tích trên cation và anion bị phân bổ (delocalized ). Điều này khiến cho tương tác tĩnh điện giữa anion và cation không đủ mạnh để tạo thành liên kết tinh thể ở nhiệt độ thường. Vì thế mà muối hữu cơ loại này có dạng lỏng.
Năm 2003, giáo sư Watanabe, một chuyên gia hàng đầu về nghiên cứu ứng dụng ILs thành chất dẫn ion cho các thiết bị năng lượng (pin - primary battery, pin nhiên liệu - fuel cell, pin sạc - secondary battery, pin năng lượng mặt trời - solar cell) và nhóm thí nghiệm tại ĐH Yokohama đã tổng hợp một loại ILs có cation là Lithium. Các bạn cũng biết, Lithium là nguyên tử kim loại nhỏ nhất, cho nên mật độ điện tích rất cao. Thế nhưng, GSư Watanabe đã thiết kế cho anion của muối Lithium là một anion có kích thước rất lớn với nguyên tử mang điện âm là boran. Đó là một phát minh gây chấn động trong giới nghiên cứu pin lithium bởi vì nếu có thể áp dụng muối ILs này vào làm chất dẫn ion lithium trong pin thì thật lý tưởng, giải quyết được bao nhiêu vấn đề (an toàn cháy nổ, hiệu suất phóng - nạp, tuổi thọ pin ) ... Vậy nhưng tiếc thay, độ dẫn ion lại rất kém nên không ứng dụng được như mong đợi. Dẫu sao, loại ionic liquid có cation là lithium này cũng là một phát minh hiếm có trong lĩnh vực ILs.
b/ Chất lỏng Zwitterionic
Trong quá trình tìm cách ứng dụng ILs như là chất dẫn ion vào các thiết bị năng lượng, ví dụ pin lithium, người ta khám phá ra một trở ngại rất lớn: sự cạnh tranh giữa hai cation, một là cation lithium, hai là cation của IL. Vì cation của IL có kích thước lớn, điện tích phân bố, nên dưới tác dụng điện trường, nó di chuyển và tiếp cận điện cực tốt hơn rất nhiều ion lithium (target cation). Kết quả là trong ILs, độ dẫn của cation lithium vô cùng thấp, mặc dù tổng độ dẫn ion của hệ vẫn là rất cao.
Giáo sư Ohno của đại học Tokyo đã phát minh ra một loại muối hữu cơ có cation và anion liên kết hữu cơ với nhau trong một phân tử. Ông gọi muối này là zwitterionic compounds.
Tiếp theo đó, Ohno phát hiện ra là nếu cho zwitterionic compound tạo phức với muối lithium bis-trifluoromethanesulfonyl-imide thì một số phức sẽ ở dạng lỏng gọi là zwitterionic liquids. Thật sự đây là một muối kép trong đó một đơn vị được coi như một phân tử trung hòa bao gồm cation lithium và anion TFSI liên kết quanh zwitterionic.
Tại Úc, giáo sư Maria Forsyth cùng nhóm của bà liên tiếp công bố những ứng dụng của zwitterionic compound vào pin lithium kim loại cũng như các polymer electrolyte (chất dẫn ion dạng polymer hoặc polymer gel). Zwitterionic compound có tác dụng tăng cường độ phân ly của lithium và anion trong muối tương ứng, khiến độ dẫn lithium cation trong hệ thống tăng lên đáng kể.
Tại Korea, Giáo sư Kim Hoon-sik (ĐH Kyunghee) cũng góp phần đáng kể vào ứng dụng zwitterionic compound. Ông phát hiện ra rằng muối bạc nitrate (AgNO3) có thể tạo phức với 1,3-(N propane sulfonate)-methyl-imidazolium và phức này nâng cao khả năng chọn lọc phân tách olefin và parafin có cùng số C của công nghệ màng muối bạc (membrane).
4. Khả năng chưng cất chất lỏng ion
Trước đây người ta cho rằng không thể chưng cất các muối có điểm nóng chảy thấp, chất được xem như chất lỏng ion vì chúng có áp suất hơi quá thấp. Một nhóm các nhà nghiên cứu, do Luis P.N.Rebelo, giáo sư công nghệ sinh học và hóa học tại đại học Lisbon, Bồ đào Nha, làm trưởng nhóm đã chỉ ra rằng nhiều chất lỏng ion có thể chưng cất được ở áp suất thấp mà không phân hủy.
Nhóm nghiên cứu đã chứng minh rằng, các nhóm chất lỏng ion được lựa chọn như các muối bis [(triflometyl) sulfonyl] amit, có thể bay hơi trong chân không ở 200o - 300oC và sau đó ngưng tụ ở nhiệt độ thấp hơn.
Rebelo cho biết, ở nhiệt độ thấp hơn, chất lỏng ion có áp suất hơi quá bé, không thể phát hiện được và vì vậy sẽ là chất thân môi trường do chúng không gây ô nhiễm không khí. Nhóm cũng đã chưng cất hỗn hợp chất lỏng ion hai cấu tử và đã nhận thấy một cấu tử được làm giàu trong phần cất, còn cấu tử kia nằm lại trong bã.
Peter Wasserscheid, giáo sư hóa học tại đại học Erlangen, đức, bình luận khả năng tách 2 chất lỏng ion bằng quá trình chưng cất sẽ mở ra các phương pháp mới sản xuất chất lỏng ion và tái sinh chất lỏng ion thải từ các quá trình kỹ thuật.
Rebelo cho biết, các nghiên cứu dạng này sẽ bùng nổ theo hướng phát hiện cấu trúc pha khí của chất lỏng ion.
Trang Chính 
