نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران

نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران

مایعات یونی تنظیم‌پذیر بر پایه‌ی کاتیون6،2-دی متیل پیریدینیوم‌های استخلاف‌دار: پیش بینی برخی خواص فیزیکی و شیمیایی با استفاده از نظریه‌ی تابعی چگالی

نوع مقاله : علمی-پژوهشی

نویسندگان
بهزاد خلیلی 1
خاطره غیوری 1
شهناز ایزدی 2
1 گروه شیمی آلی، دانشکده شیمی، دانشگاه گیلان، رشت، ایران
2 گروه شیمی، دانشگاه پیام نور، تهران، ایران
چکیده
خواص مایعات یونی با ترکیب کردن کاتیون‌ها و آنیون‌های مختلف برای اهداف خاص  قابل کنترل است. در این کار از نظریه‌ی تابعی چگالی در سطح نظری M06-2X/6-311++G(2d,2p) استفاده شده است تا تاثیر استخلاف­های مختلف بر خواص الکتروشیمیایی و شیمی فیریکی مایعات یونی بر پایه‌ی پیریدینیوم شامل کاتیون‌های 4- X- دی متیل پیریدینیوم[4-XDMPy]+، :X) NH2، OMe، Me، H، Cl، CHO، CF3، CN و (NO2 و آنیون تترا فلوئورو بورات ([BF4]-) بررسی شود. پتانسیل حد کاتد و حد آند، محدوده الکتروشیمیایی، مقادیر انتقال بار، پارامترهای ساختاری و خواص مکان‌شناسی مایعات یونی محاسبه شده است. نتایج نشان می‌دهند که قدرت برهمکنش بین کاتیون‌ و آنیون با افزایش قدرت الکترون‌کشندگی استخلاف‌ها در روی موقعیت 4 حلقه پیریدینیوم کاتیون‌ها افزایش می‌یابد. با توجه به مقادیر انرژی برهمکنش محاسبه شده ( از 71/104- تا  59/90- کیلوکالری بر مول)، ترتیب پایداری مایعات یونی مورد مطالعه به‌صورت [NO2-DMPy][BF4] > [CN-DMPy][BF4] > [CF3-DMPy][BF4] > [CHO-DMPy][BF4] > [Cl-DMPy][BF4] > [H-DMPy][BF4] > [Me-DMPy][BF4] > [OMe-DMPy][BF4] > [NH2-DMPy][BF4]  است. مقایسه بار اتم‌ها از تحلیل اوربیتال پیوند طبیعی، نشان می‌دهند که تشکیل پیوند هیدروژنی همراه با مقداری انتقال بار از آنیون‌ها به کاتیون‌ها در مایعات یونی می‌باشد و انتقال بار برای استخلاف‌های الکترون کشنده CHO)) بیشتر از استخلاف‌های دیگر در مایعات یونی [4-XDMPy][BF4] است. با توجه به مقادیر محدوده الکتروشیمیایی مایعات یونی مورد مطالعه (از 73/2 تا 32/4 ولت)، پیش‌بینی می‌شود که مایعات یونی حاوی استخلاف‌های الکترون دهنده، الکترولیت مناسب‌تری نسبت به مایعات یونی دیگر جهت استفاده در واکنش‌های الکتروشیمیایی باشند.
کلیدواژه‌ها
مایعات یونی
کاتیون پیریدینیوم
نظریه ی تابعی چگالی
محدوده الکتروشیمیایی

موضوعات

[1] Seddon K.R., "In Molten Salt Chemistry" Mamantov G., Marassi R., Eds. Reidel Publishing Co: Dordrecht, The Netherlands (1987).
[2] Welton T., Room-Temperature Ionic Liquids. Solvents for Synthesis and Catalysis. J Chem. Soc. Rev. 99(8): 2071-2084 (1999).
[3] Wasserscheid P., Welton T., "Ionic Liquids in Synthesis" second ed., Wiley-VCH, Weinheim) 2008).
[4] Kazmi S.,  Awan Z.,  Hashmi S., Simulation Study of Ionic Liquid Utilization for Desulfurization of Model Gasoline, Iran. J. Chem. Chem. Eng. 38(4): 209-221 (2019).
[5] Akman U., Keskin S., Kayrak-Talay D., Hortacsu O., A Review of Ionic Liquids Towards Supercritical Fluid Applications, J. Supercrit. Fluids. 43: 150-180 (2007).
[6] Andreev I.A., Ratmanova N.K., Augustin A.U., Ivanova O.A., Levina I.I., Khrustalev V.N., Werz D.B., Trushkov I.V., Protic Ionic Liquidas Reagent, Catalyst, and Solvent:1-Methylimidazolium Thiocyanate. Angew. Chem. Int. Ed. 60: 7927-7934 (2021).
[7] Davis J.H., Task-Specific Ionic Liquids. Chem. Lett. 33: 1072-1077(2004).
[8] Visser A.E., Swatloski R.P., Reichert W.M., Mayton R., Sheff S., Wierzbicki A., Davis J.H., Rogers R.D., Task-Specific Ionic Liquids for the Extraction of Metal Ions from Aqueous Solutions. Chem. Commun. 135-136 (2001).
[9] Kubisa P., Ionic liquids in the Synthesis and Modification of Polymers. J. Polym. Sci., Part A: Polym. Chem. 43(20): 4675-4683(2005).
[10] Xu P., Liang S., Zong M.H., Lou WY., Ionic Liquids for Regulating Biocatalytic Process: Achievements and Perspectives. Biotechnol. Adv. 51: 107702 (2021).
[11] Yue C., Fang D., Liu L., Yi T.F., Synthesis and Application of Task-Specific Ionic Liquids Used as Catalysts and/or Solvents in Organic Unit Reactions. J. Mol. Liq. 163: 99-121 (2011).
[12] Alinezhad H., Tajbakhsh M., Norouzi M., Baghery S., Akbari M., Protic Pyridinium Ionic Liquid: As an Efficient, Green and Environmentally Friendly Catalyst for the One-Pot Synthesis of Amidoalkyl Naphthol Derivatives. Rendus Chem. 17: 7-11(2014).
[13] Verdia P., Gonzalez E.J., Rodriguez-Caboc B., Tojo E., Synthesis and Characterization of New Polysubstituted Pyridinium-Based Ionic Liquids: Application as Solvents on Desulfurization of Fuel Oils. Green Chem. 13: 2768- 2776 (2011).
[14] Strassner T., Ahrens S., Tunable Aryl Alkyl Ionic Liquids (TAAILs): The Next Generation of Ionic Liquids. Angew. Chem. Int. Ed. 48: 7908-7910 (2009).
[15] Saeidian H., Sahandi M., Comprehensive DFT study on Molecular Structures of Lewisites in Support of the Chemical Weapons Convention. J. Mol. Struct. 1100: 486-95 (2015).
[16] Zhu X., Cui P., Zhang D., Liu C., Theoretical Study for Pyridinium-Based Ionic Liquid 1-Ethylpyridinium trifluoroacetate: Synthesis Mechanism, Electronic Structure, and Catalytic Reactivity. J. Phys. Chem. A. 115(19): 8255-8263(2011).
[17] Wang L., Chu D., Study on Structure Properties of Pyridine Ionic Liquids of Different Acid-Based Chain Lengths. Adv. Mater. Res. 298: 51-55 (2011).
[18] Roohi H., Ghauri K., Exploring Physicochemical Properties of the Nanostructured Tunable Aryl Alkyl Ionic Liquids (TAAILs). J. Mol. Liq. 209: 14-24 (2015).
[19] Tankov I., Yankova R., Genieva S., Mitkova M., Stratiev D., Density Functional Theory Study on the Ionic Liquid Pyridinium Hydrogen Sulfate. J. Mol. Struct. 1139: 400-406 (2017).
[20] Tiwari A., Sahoo M., Soreng P., Mishra B.K., Synthesis, Characterization, Solution Behavior, and Density Functional Theory Analysis of Some Pyridinium-Based Ionic Liquids. J. Surfactants Deterg. 21(3): 367-373 (2018).
[21] Khalili B., Rimaz M., An Investigation on the Physicochemical Properties of the Nanostructured [(4-X)PMAT] [N(CN)2] Ion Pairs as Energetic and Tunable Aryl Alkyl Amino Tetrazolium Based Ionic Liquids. J. Mol. Struct. 1137: 530-542 (2017).
[22] Khalili B., Rasoulian M., Ghauri K., First Time Investigation of the Substitution Effect at Anion Part of the ILs on their Physicochemical Properties Using [DMT][4-XPhSO3] (X=NH2, OH, H, F, Br, CHO, CF3, CN and NO2) as a Model ILs: A Systematic DFT Study. J. Mol. Struct. 1201: 127171-127190 (2020).
[23] Khalili B.,  Moradpour M., Fluorination Effects on the Physicochemical Properties of the Nanostructured Tunable Ionic Liquids: [5F-PhMeTAZ]+ or [5H-PhMeTAZ]+ Which One is the Better Choice? J. Fluor. Chem.  257: 109970 (2022).
[24] Khalili B., Pour Amani M., Ghauri K., Exploring of Spacer Fluorination Effect on the Characteristics and Physicochemical Properties of the Newly Designed Task Specific Dicationic Imidazolium-Based Ionic Liquids: A Quantum Chemical Approach. J. Fluor.Chem. 261: 110026 (2022).
[25] Khalili B., Heydari S.,· Ghauri K., Dicationic Ionic Liquids (DILs) Based on the Phenyl and Perfluoro‑Phenyl π‑Spacer‑Linked Triazolium Cations: a Quantum Chemical Comparative Study. Theor. Chem. Acc. 141(67): 67-86 (2022).
[26]  Khalili B., Moosavi M., Ghauri K., New Task-Specific Ionic Liquids Based on Phenyl Diazenyl Methyl Pyridinium Cation: Energetic, Electronic and Optical Properties Exploration Based on DFT Calculations. J. Mol. Graph. 118: 108352-108371(2023).
[27] Zhao Y., Truhlar D.G., Zhao Y, Truhlar DG., Density Functionals with Broad Applicability in Chemistry. Accounts of Chemical Research. Acc. Chem. Res. 41(2): 157-167 (2008).
[28] Petersson G.A., Al-Laham M.A., A Complete Basis Set Model Chemistry. II. Open‐Shell Systems and the Total Energies of the First‐Row Atoms.  J. Chem. Phys. 94: 6081(1991).
[29] Gaussian 09, Revision D.01, Frisch M.J., Trucks G.W., Schlegel H.B., Scuseria G.E., Robb M.A., Cheeseman J.R., Scalmani G., Barone V., Mennucci B., Petersson G.A., Nakatsuji H., Caricato M., Li X., Hratchian H.P., Izmaylov A.F., Bloino J., Zheng G., Sonnenberg J.L., Hada M., Ehara M., Toyota K., Fukuda R., Hasegawa J., Ishida M., Nakajima T., Honda Y., Kitao O., Nakai H., Vreven T., Montgomery J. A., Peralta J. J. E., Ogliaro F., Bearpark M., Heyd J. J., Brothers E., Kudin K. N., Staroverov V. N., Kobayashi R., Normand J., Raghavachari K., Rendell A., J. C. Burant, S. S. Iyengar, J. Tomasi, M. Cossi, N. Rega, J. M. Millam, M. Klene, J. E. Knox, J. B. Cross, V. Bakken, Adamo C., Jaramillo J., Gomperts R., Stratmann R.E., Yazyev O., Austin A.J., Cammi R., Pomelli C., Ochterski J.W., Martin R.L., Morokuma K., Zakrzewski V.G., Voth, G.A. Salvador P., Dannenberg J.J., Dapprich S., Daniels A.D., Farkas O., Foresman J.B., Ortiz J.V., Cioslowski J., Fox D.J., Gaussian, Inc., Wallingford, CT, (2010). 
[30] GaussView, Version 6.1.1, R. Dennington, T. Keith, J. Millam, Semichem Inc., Shawnee Mission, KS (2019).
[31] Biegler Konig F.W., Schonbohm J., Bayles D.J., ²AIM2000² Comput. Chem. 22(5): 545-559 (2001).
[32] Lu T., Chen F., ²Multiwfn: A Multifunctional Wavefunction Analyzer² J. Comput. Chem. 33(5): 580-592 (2012).
[33] Humphrey W., Dalke A., Schulten K., ²VMD: Visual Molecular Dynamics² J. Mol. Graph. 14: 33-38 (1996).
[34] Johnson E.R., Keinan S., Mori-Sánchez P., Contreras-García J., Cohen A.J., Yang W., Revealing Noncovalent Interactions. Journal of the American Chemical Society 132: 6498-6506 (2010).
[35] Dong K., Zhang S., Wang D., Yao X., Hydrogen Bonds in Imidazolium Ionic Liquids. J. Phys. Chem. A 110(31): 9775-9782 (2006).
[36] Ghatee M.H.,  Moosavi F., Zolghadr A.R., Jahromi R., Ghatee M.H, Moosavi F., Zolghadr A.R., Jahromi R., Critical-Point Temperature of Ionic Liquids from Surface Tension at Liquid−Vapor Equilibrium and the Correlation with the Interaction Energy. Industrial & Engineering Chemistry Research. Ind. Eng. Chem. Res. 49: 12696-12701 (2010).
[37] Ong S.P., Andreussi O., Wu Y., Marzari N., Ceder G., Electrochemical Windows of Room-Temperature Ionic Liquids from Molecular Dynamics and Density Functional Theory Calculations. Chem. Mater. 23: 2979-2986 (2011).