مایعات یونی

مايعات يونی (Ionic Liquids) عموماً به عنوان نمک‌­های مايعی كه بطور كامل از يون تشكيل شده‌­اند تعريف می‌شوند. گاهی برای اينكه بين مايعات يونی و نمك­‌های مذاب ديگر تمايز برقرار شود، مايعات يونی به عنوان نمک‌­های با نقطه­‌ی ذوب كمتر از 100 درجه سانتیگراد نیز تعريف می‌­شوند.

در هرحال نمک‌­های مذاب و مايعات يونی به عنوان تركيبات مايعی توصيف می‌شوند كه ساختار كريستالی يونی- كووالانسی از خود نشان می‌­دهند. نمک‌­های مذاب نقطه­‌ی ذوب بالا، ويسكوزيته­‌ی بالا و خاصيت خورندگی بالايی دارند، در حاليكه يك مايع يونی حتی در دماهای پائين (کمتر از 100 درجه سانتیگراد) مايع است و ويسكوزيته­‌ی پائينی دارد. مایعات یونی نه تنها از نظر دوست­دار محیط زیست بودن نسبت به حلال­‌های آلی فرار، مورد توجه هستند بلکه دارای ویژگی­‌های فیزیکوشیمیایی جذاب و منحصربفردی نیز هستند مثل قابلیت حل کردن همزمان ترکیبات آلی و معدنی، پایداری گرمایی و شیمیایی عالی، و هدایت یونی بالا. مهمتر اینکه اکثر مایعات یونی برای کاربردهای صنعتی مناسب می‌­باشند.

تاريخچه مایعات یونی

اولين مايع يونی دمای اتاق با ساختار [NO₃] [EtNH₃] (نقطه­‌ی ذوب 12 درجه سانتیگراد) در سال 1914 كشف گرديد. سپس مايعات يونی دمای اتاق بر پايه‌­ی كاتيون 1- آلكيل- 3- متيل ايميدازوليوم براي اولين بار در سال 1982 توسط Wilkes و همكارانش بصورت نمک­‌های تترا كلرو آلومينات آنها گزارش شدند (نسل اول).

جايگزينی اين آنيون حساس به رطوبت با تترا فلوئوروبورات در سال 1992 منجر به تهيه‌­ی مايعات يونی پايدار در مقابل رطوبت و هوا گرديد (نسل دوم) كه باعث افزايش كاربرد آنها به عنوان محيط واكنش برای انواع مختلف واكنش‌­های آلی شد.

در آغاز هزاره­‌ی جديد، مفهوم مايعات يونی هدفمند توسط Dave معرفی گرديد. اين تركيبات به عنوان مايعات يونی توصيف می‌­شوند كه در آنها آنيون، كاتيون و يا هر دوی آنها شامل يک گروه عاملی به عنوان يك قسمت از ساختار يونی هستند. این مواد به گونه­‌ای طراحی شده­‌اند كه خواص ويژه‌­ای از نظر فيزيكی يا شيميايی به آنها می‌دهند.

دهه‌­ی 1998- مايعات يونی كلروآلومينات (نسل اول)

دهه­‌ی 1990- مايعات يونی پايدار در مقابل هوا و رطوبت (نسل دوم)

دهه­‌ی 2000- مايعات يونی هدفمند (نسل سوم)

انتخاب مناسب از تركيب­‌های كاتيون و آنيون اجازه‌­ی طراحی مايعات يونی را می‌­دهد كه داراي تمام نيازمندي‌های يك واكنش شيميايی تحت مطالعه هستند. نام ديگر اين مواد، حلال­‌های طراحی كننده می‌­باشد .

مايعات يونی معمولا حاوی آنيون­‌های معدنی و كاتيون­‌های آلی نيتروﮊن­‌دار هستند و خواص فيزيكی و شيميايی آن‌ها (از جمله حلاليت، دانسيته، ضريب شكست و ويسكوزيته) به­‌راحتی با تغيير ساختار كاتيون، آنيون و يا هردوی آنها تغيير می‌كند. به عنوان مثال، تغيير آنيون X در [X] [EMIM] نقطه­‌ی ذوب مايع يونی را در محدوده­‌ی 14 درجه سانتیگراد الی‌ 87 درجه سانتیگراد تغيير می‌­دهد.

ساختار مايعات يونی

كاتيون­‌های معمول مورد استفاده در مايعات يونی دمای اتاق شامل آلكيل آمونيوم، آلكيل فسفونيوم، N′,N- دی آلكيل ايميدازوليوم ([RR′IM]) و N- آلكيل پيريدينيوم ([RPy]) می‌باشند. زنجيرهای آلكيل كه معمولا ساختار مايعات يونی را تشكيل می‌دهند عبارتند از متيل، اتيل، بوتيل، هگزيل، اكتيل و دسيل.

تعدادی از آنيون‌­های مورد استفاده در ساختار مايعات يونی در زير آورده شده‌ ­است.

^–[BF₄]      ^–[PF₆]       ^–[SbF₆]      ^–[HSO₄]     ^–[NO₃]

^–[OTs]     ^–[AlCl₄]    ^–[CF₃CO₂]     ^–[CF₃SO₃]

كاربرد مايعات يونی

مايعات يونی دمای اتاق (RTILs) در بسياري از فرايندهای شيميايی و بيوشيميايی، به عنوان الكتروليت در الكتروشيمی، در تفكيك گاز مثل به دام انداختن CO₂ ، در استخراج مايع-مايع و به عنوان سيالات انتقال دهنده­‌ی گرما مورد مطالعه قرار­گرفته‌­اند. در هر حال اكثر مطالعات انجام گرفته در زمينه­‌ی كاربرد آن‌ها به عنوان حلا­های سبز يا كاتاليست­‌هايی برای سنتزهای آلی می‌باشد.

سنتز مواد دارویی با استفاده از مایعات یونی به عنوان حلال سبز

در سنتز صنعتی مواد دارویی بطور مکرر از حلال­های سمی و فرار آلی استفاده می­شود که باعث آلودگی محصولات و محیط زیست می‌­گردد. مایعات یونی جایگزین مناسبی به عنوان محیط واکنش برای تبدیلات آلی و سنتز مواد دارویی هستند. واکنش­‌ها در مایعات یونی در مقایسه با حلال­‌های آلی رایج سریعتر و آسان‌تر انجام می­‌گیرد و معمولا نیازی به دستگاه و متدولوژی خاصی نیست. در مقالات اخیر سنتز داروهای ضد ویروس با پایه نوکلئوزیدی (Brivudine، Stavudin، Trifluridine) در محیط مایع یونی مثل 1- متوکسی اتیل 3- متیل ایمیدازولیوم متان سولفات، 1- متوکسی اتیل 3- متیل ایمیدازولیوم تری فلورو استات و 1- بوتیل 3- متیل ایمیدازولیوم تری فلورو استات گزارش شده است. در متدولوژی استفاده از مایع یونی در مقایسه با حلال­‌های آلی سمی، محصول با خلوص بالا تهیه می­‌گردد و جداسازی و خالص‌­سازی محصول مد نظر تسهیل می­‌شود.

مایع یونی به عنوان محیط واکنش برای واکنش‌­های بیوشیمیایی

مایعات یونی به عنوان جایگزین برای حلال­‌های آلی فرار و سمی برای واکنش‌­های بیوشیمیایی نیز قابل استفاده هستند. امروزه این ترکیبات برای فرایندهای مختلف بیوشیمیایی مثل پلیمریزاسیون آنزیماتیک، استخراج آنزیم­‌ها و پروتئین­‌ها، برای تولید بیوکاتالیز و سوخت­‌های زیستی مورد استفاده قرار می­‌گیرند. علاوه بر این مایعات یونی به همراه آنزیم‌­ها در تبدیلات زیستی بکار گرفته می­‌شوند. اولین استفاده از یک آنزیم در مایع یونی در سال 1984 زمانیکه Maynuson و همکارانش پایداری و فعالیت آلکالین فسفاتاز را در مخلوط آبی [NO₃] [EtNH₃] اثبات کردند، گزارش شد. متاسفانه در آن زمان بدلیل اطلاعات کمی که از مایعات یونی وجود داشت این یافته زیاد مورد توجه قرار نگرفت. در سال 2000 گزارش‌­های متعددی از واکنش­‌های کاتالیز شده توسط آنزیم در مایعات یونی در عرض چند ماه ظاهر گردید.

مایعات یونی 1-آلکیل-3- متیل ایمیدازولیوم حلال­‌های قطبی هستند، آنها با حلال­‌های قطبی مثل متیلن کلرید امتزاج­‌پذیرند و با هگزان و معمولاً با آب امتزاج ناپذیرند. حلال­‌های آلی آنزیم­‌ها را غیرفعال می­‌کنند، اما آنزیم­‌ها در مایعات یونی فعالیت کاتالیتیکی خود را حفظ می­‌کنند. مشاهده شده است هیدرولازها و اکسیدوردوکتازها زمانیکه در مایعات یونی پخش می­‌شوند فعالیت خود را حفظ می­‌کنند.

استفاده از مایعات یونی در استخراج فلزات

تکنیک مناسب و موثر برای استخراج و جداسازی فلزات استخراج مایع- مایع با استفاده از حلال‌­های آلی است. هزینه بالا و آلودگی با حلال­‌های آلی سمی از معایب این روش است. جایگزین این حلال­‌های آلی سمی مایعات یونی هستند. این ترکیبات سبز هستند و فرایند جداسازی با این ترکیبات با کارایی بالا انجام می­‌گیرد. مایعات یونی هدفمند (TILs) با گروه شلاته­‌کننده خاص، فلزات ویژه‌­ای را جداسازی و استخراج می­‌کنند.

مایعات یونی در دارورسانی

توسعه روش­‌های تولید دارو در قرن بیستم منجر به تولید داروهایی شده که چربی­دوست هستند و در محیط­های آبی کم محلول هستند و این باعث محدودیت سرعت وارد شدن آنها در جریان گردش خون می­‌گردد. در این میان استفاده از یک مایع یونی یا مخلوطی از آنها در زمینه دارورسانی باعث کاهش سمیت، افزایش جذب و همچنین از بین رفتن مشکل انحلال داروهای کم محلول گردیده است. میزان امتزاج­‌پذیری مایع یونی با آب را می‌توان با اضافه کردن مایع یونی دوم اصلاح کرد. آنیون و کاتیون مایع یونی تاثیر زیادی در میزان محلولیت دارو دارند. زنجیر جانبی طولانی روی کاتیون ایمیدازولیوم باعث افزایش انحلال داروهای آبگریز و کاهش انحلال داروهای آبدوست می­‌گردد.

علاوه بر این، مایعات یونی غیرسمی با ساختار فعال از نظر دارویی (API-ILs) سنتز شده‌­اند که در دارورسانی مورد استفاده قرار می­‌گیرند. بخش آنیونی یا کاتیونی و یا هر دو بخش این ترکیبات خاصیت دارویی دارد.

استفاده از مایعات یونی در استخراج پروتئین

پروتئین­‌ها نقش حیاتی را در انتقال پیام­های عصبی، انقباض ماهیچه­‌ها و انتقال اکسیژن و مواد مغذی در بدن ایفا می‌­کنند. پروتئین­‌ها همیشه در حالت مخلوط وجود دارند، بنابراین باید سانتریفیوژ شوند و سپس بیشتر خالص­‌سازی گردند. اگرچه بعضی از حلال‌­های آلی برای استخراج پروتئین موجود می­‌باشد ولی آنها ممکن است باعث دناتوره (از بین رفتن ساختار طبیعی) شدن پروتئین­‌ها شوند و یا فعالیت بیولوژیکی آنها را کاهش دهند. در سال­‌های گذشته کروماتوگرافی تبادل یونی ژل فیلتراسیون، کروماتوگرافی تمایلی، جداسازی غشایی و تکنولوژی الکتروفورز برای خالص‌­سازی و جداسازی پروتئین­‌ها مورد استفاده قرار می­‌گرفتند ولی این روش­‌ها تکنیک­‌هایی هزینه‌­بر بوده و برای تولید انبوه مناسب نیستند.

پروتئین­‌ها در محیط آبی حساس هستند و این مانع رشد بیوتکنولوژی صنعتی گردیده است. مایعات یونی (ILs) تا حدی مشکل جداسازی پروتئین­‌ها را حل کرده­‌اند. Erbrlding گزارش کرده است که مایعات یونی به عنوان محیطی برای واکنش­‌های آنزیماتیک قادر به بهبود فعالیت و پایداری آنزیم می­‌باشند. تعداد زیادی از این مواد قادر به حفظ فعالیت کاتالیتیکی در سیستم دو فازی یا تک فازی هستند. اگرچه آب حلال قدیمی برای مولکول­‌های زیستی مخصوصاً بیوپلیمرهاست ولی فراریت و محدوده دمایی کم برای حفظ فعالیت پروتئین ویژگی سیستم بر پایه آب است. حلال­‌های غیرفرار و پایدار یعنی ILs این محدودیت آب در استخراج موثر پروتئین را جبران می­‌کنند. از آنجائیکه مایعات یونی از نظر ساختاری متنوع هستند، کارایی استخراج را می­‌توان با تغییر ساختار آن بهبود بخشید.

مایعات یونی به­‌عنوان کاتالیست

كاتيون يا آنيون یک مايع يونی می­‌تواند به عنوان كاتاليست، فعال­‌كننده­‌ی كاتاليست يا كمک كاتاليست برای یک واكنش عمل كند. اخیراً، آلکیلاسیون فریدل-کرافتس ایندول با کتون­‌های حلقوی به­‌عنوان اولین و مناسب‌ترین روش برای سنتز مشتقات C3- سیکلوآلکیل ایندول گزارش شده است. در این مطالعه، مایع یونی اسید برونشتد با گروه عاملی سولفونیل از میان سایر اسیدهای تست شده، به­‌عنوان موثرترین کاتالیست معرفی شده است.

 لطفاً نظر ارزشمند خود را درباره این مقاله در بخش دیدگاه بنویسید.