شبیه سازی دینامیک مولکولی مایع یونی 1ـ بوتیل ـ3ـ متیل‌ایمیدازولیوم نیترات و رفتار دینامیکی مخلوط‌های دوتایی مایع یونی ـ آب

نوع مقاله: علمی-پژوهشی

نویسندگان

دانشکده شیمی و پژوهشکده تغییر اقلیم و گرمایش زمین، دانشگاه تحصیلات تکمیلی علوم پایه زنجان، زنجان، ایران

چکیده

برای مدتی طولانی در گذشته آب به­ عنوان ناخالصی ناخواسته نسبت به مایع­های یونی خالص در نظر گرفته می ­شد، زیرا حضور مقدار کم آب ویژگی ­های مایع­ های یونی را تغییر زیادی می­ دهد. ولی در حال حاضر آب شریک بسیار مهمی برای مایع ­های یونی است، زیرا مخلوط مایع یونی ـ آب یک راهبرد آسان برای کنترل و دستیابی به ویژگی­ های یگانه هر دوی آن­ ها است. به کارگیری این نوع از مخلوط­ های دوتایی همچنین امکان انجام کاربردهای گسترده ­ای را در زمینه­ های گوناگون فراهم می ­کند. در این کار، از شبیه سازی دینامیک مولکولی برای مطالعه­ ی جزئیات رفتار دینامیکی مخلوط دوتایی مایع یونی 1-بوتیل-3-متیل ایمیدازولیوم نیترات ([bmim][NO3]) با آب در کسر مولی­ های گوناگون استفاده­شده است تا به تأثیر افزودن آب بر ویژگی­ های مایع یونی پی برده شود. دینامیک سامانه­ ها با محاسبه­ ی میانگین مربع جا به ­جایی و ضریب­ های خودنفوذی گونه­ ها مطالعه شد.حضور آب باعث افزایش چشمگیر ضریب­ های نفوذ یونی می­ شود. در مایع یونی خالص و محلول غلیظ مایع یونی، خودنفوذی کاتیون از آنیون بزرگ ­تر است؛ هر چند در مخلوط­ های دوتایی با کسر مولی آب بزرگ­ تر یا مساوی 25/0، آنیون­ها تندتر از کاتیون­ ها نفوذ می­ کنند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Welton T., Room-Temperature Ionic Liquids: Solvent for Synthesis and Catalysis, Chem. Rev, 99: 2071-2084 (1999).

[2] Vioux A., Taubert A., Ionic Liquids 2014 and Selected Papers from ILMAT 2013: Highlighting the Ever Growing Potential of Ionic Liquids, Int. J. Mol. Sci, 15: 22815-22818 (2014).

[3] Keskin S., Kayrak-Talay D., Akman U., Hortaçsu Ö., A Review of Ionic Liquids Towards Supercritical Fluid Applications, J. Supercrit. Fluids, 43: 150-180 (2007).

[4] Armand M., Endres F., MacFarlane D. R., Ohno H., Scrosati B., Ionic-Liquid Materials for the Electrochemical Challenges of the Future, Nat. Mater, 8: 621-629 (2009).

[5] Feng R., Zhao D., Guo Y., Revisiting Characteristics of Ionic Liquids: A Review for Future Application Development, J. Environ. Prot, 1: 95-104 (2010).

[6] Spohr H. V., Patey G. N., The Influence of Water on the Structural and Transport Properties of Model Ionic Liquids, J. Chem. Phys, 132: 234510(1-13) (2010).

[7] Jacquemin J., Husson P., Padua A. A. H., Majer V., Density and Viscosity of Several Pure and Water-Saturated Ionic Liquids, Green Chem, 8: 172-180 (2006).

[8] Freire M. G., Carvalho P. J., Femandes A. M., Marrucho I. M., Queimada A. J., Coutinho J. A. P., Surface Tensions of Imidazolium Based Ionic Liquids: Anion, Cation, Temperature and Water Effect, J. Colloid Interface Sci, 314: 621-630 (2007).

[9] Fletcher K. A., Pandey S., Solvatochromic Probe Behavior within Ternary Room-Temperature Ionic Liquid 1-Butyl-3-methylimidazolium Hexafluorophosphate + Ethanol + Water Solutions, J. Phys. Chem .B, 107(48): 13532–13539 (2003).

[10] Seddon K. R., Stark A., Torres M. J., Influence of Chloride, Water, and Organic Solvents on the Physical Properties of Ionic Liquids, Pure Appl. Chem, 72(12): 2275-2287 (2000).

[11] Seddon K. R., Selective Catalytic Oxidation of Benzyl Alcohol and Alkylbenzenes in Ionic Liquids, Green Chem, 4: 119-123 (2002).

[12] Swatloski R. P., Spear S. K., Holbrey J. D., Dissolution of Cellose with Ionic Liquids, J. Am. Chem. Soc., 124: 4974-4975 (2002).

[13] Moreno M., Simonetti E., Appetecchi G. B., Carewska M., Montanino M., Kim G.-T., Loeffler N., and Passerini S., Ionic Liquid Electrolytes for Safer Lithium Batteries I. Investigation around Optimal Formulation, J. Electrochem. Soc,164:A6026-A6031 (2017).

[14] Gutowski K. E., Broker G. A., Willauer H. D., Huddleston J. G., Swatloski R. P., Holbrey J. D., Rogers R. D., Controlling the Aqueous Miscibility of Ionic Liquids: Aqueous Biphasic Systems of Water-Miscible Ionic Liquids and Water-Structuring Salts for Recycle, Metathesis, and Separations, J. Am. Chem. Soc, 125: 6632-6633 (2003).

[15] Kohno Y., Ohno H., Ionic liquid/ Water Mixtures: from Hostility to Conciliation, Chem. Commun, 48: 7119-7135 (2012).

[16] Giernoth R., Task-Specific Ionic Liquids, Angew. Chem. Int. Ed, 49: 2834–2839 (2010).

[17] Kowsari M. H., Tohidifar L., Tracing Dynamics, Self-Diffusion, and Nanoscale StructuralbHeterogeneity of Pure and Binary Mixtures of Ionic Liquid 1-Hexyl-2,3-dimethylimidazolium Bis(fluorosulfonyl)imide with Acetonitrile, J. Phys. Chem. B, 120(41): 10824–10838(2016).

[18] Fadeeva T. A., Husson P., Devin J. A., Gomes M. F. C., Greenbaum S. G., Castner E. W., Interaction Between Water and 1-Butyl-1-Methylpyrrolidinium Ionic Liquids, J. Chem. Phys, 143: 064503(1-12)  (2015).

[19] Feng S., Voth G. A., Molecular Dynamics Simulations of Imidazolium-Based Ionic Liquid/Water Mixtures: Alkyl Side Chain Length and Anion Effects, Fluid Phase Equilib, 294: 148–156 (2010).

[20] Marekha B. A., Bria M., Moreau, DeWaele I., Miannay F. A., Smortsova Y., Takamuku T., Kalugin O. N., Kiselev M., Idrissi A., Intermolecular Interactions in Mixtures of 1-n-Butyl-3-Methylimidazolium Acetate and Water: Insights from IR, Raman, NMR Spectroscopy and Quantum Chemistry Calculations, J. Mol. Liq, 210: 227–237 (2015).

[21] Joshua E. S. J. Reid, Richard J. Gammons, John M. Slattery, Adam J. Walker, and Seishi Shimizu, Interactions in Water−Ionic Liquid Mixtures: Comparing Protic and Aprotic Systems, J. Phys. Chem. B, 121: 599−609 (2017).

[22] Huang J., Fu A., Li H., Chu T., Wang Z., A Computational Study of Ion Speciation in Mixtures of Protic Ionic Liquids with Various Molecular Solvents: Insight into the Solvent Polarity and Anion Basicity, Int. J. Quantum Chem, 1–9 (2016).

[23] Salma U., Usula M., Caminiti R., Gontrani L., Plechkova N. V.,  Seddon K. R., X-Ray and Molecular Dynamics Studies of Butylammonium Butanoate–Water Binary Mixtures, Phys. Chem. Chem. Phys, 19: 1975-1981 (2017).

[24] Pramanik R., Sarkar S., Ghatak C., Setua P., Rao V. G., Sarkar N., Effect of Water on the Solvent Relaxation Dynamics in an Ionic Liquid Containing Microemulsion of 1-Butyl-3-Methyl Imidazolium Tetrafluoroborate/TritonX-100/cyclohexane, Chem. Phys. Lett, 490: 154–158 (2010).

[25] Tran C. D., Depaoli Lacerda S. H., Oliveira D., Absorption of Water by Room-Temperature Ionic Liquids, Effect of Anions on Concentration and State of Water, Appl. Spectrosc, 52(2): 152-157 (2003).

[26]Menjoge A., Dixon J., Brennecke J. F., Maginn E. J., and Vasenkov S., Influence of Water on Diffusion in Imidazolium-Based Ionic Liquids: A Pulsed Field Gradient NMR Study, J. Phys. Chem. B, 113: 6353-6359 (2009).

[27] Smith W., Forester T. R., Todorov I. T., The DL_POLY Molecular Simulation Package, V.2.18. Daresbury Laboratory: Daresbury, U.K. (2007).

[28] Nośe S. A., Unified Formulation of the Constant Temperature Molecular Dynamics Methods, J. Chem. Phys, 81: 511-519 (1984).

[29] Hoover W. G., Canonical Dynamics: Equilibrium Phase-Space Distributions, Phys. Rev. A, 31: 1695-1697 (1985).

[30] Allen M.P., Tildesley D.J., “Computer Simulation of Liquids”, Clarendon: Oxford, U.K. (1987).

[31] Lopes J. N. C., Deschamps J., Pádua A. A. H., Modeling Ionic Liquids Using a Systematic All-Atom Force Field, J. Phys. Chem. B, 108: 2038-2047 (2004).

[32] Lopes J. N. C., Pádua A. H., CL&P: A Generic and Systematic Force Field for Ionic Liquids Modeling, Theor. Chem. Acc, 131: 1129−1140 (2012).

[33] Schrderöder C., Comparing Reduced Partial Charge Models with Polarizable Simulations of Ionic Liquids, Phys. Chem. Chem. Phys, 14, 3089–3102 (2012).

[34] Berendsen H. J. C., Postina J. P. M., van Gunsteren W. F., Herinans J., Pullinan B., (Eds.), “Intermolecular Forces”, Reidel, Dordrecht, (1981).

[35] Kowsari M. H., Alavi S., Ashrafizaadeh M., Najafi B., Molecular Dynamics Simulation of Imidazolium-Based Ionic Liquids. I. Dynamics and Diffusion Coefficient, J. Chem. Phys, 129: 224508 (2008).

[36] Kowsari M. H., Fakhraee M., Influence of Butyl Side Chain Elimination, Tail Amine Functional Addition, and C2 Methylation on the Dynamics and Transport Properties of Imidazolium-Based [Tf2N] Ionic Liquids from Molecular Dynamics Simulations, J. Chem. Eng. Data,60: 551–560 (2015).

[37] Wu Y., Tepper H. L., Voth G. A., Flexible Simple Point-Charge Water Model with Improved Liquid-State Properties, J. Chem. Phys, 124: 024503 (2006).

[38] Chen W. T., Hsu W.Y., Lin M.Y., Tai C.C., Wang S.P., Wen I., Isolated BMI+ Cations Are More than Isolated PF6 Anions in the Room Temperature 1-Butyl-3-methylimidazolium Hexafluorophosphate (BMI-PF6) Ionic Liquid, J. Chinese Chem. Soc, 57: 1293-1298 (2010).