Liquidi ionici: proprietà, classificazione, sintesi, usi

I liquidi ionici (ILs) sono definiti come composti costituiti da ioni con punto di fusione inferiore a 100 °C.

Nel 1914 il chimico lettone Paul Walden scoprì il primo liquido ionico costituito da nitrato di etilammonio CH₃CH₂NH₃⁺NO₃^– con un punto di fusione di 12°C. Tuttavia non comprese che questa classe di composti sarebbero diventati un’importante area scientifica dopo quasi un secolo.

I liquidi ionici infatti sono emersi come un’alternativa più ecologica ai solventi organici convenzionali grazie alla loro bassa volatilità e infiammabilità.

Tra le varie classi di liquidi ionici, quelli contenenti eterocicli cationici contenenti azoto sono i più utilizzati

I sali di imidazolio  rappresentano la sottoclasse più importante e loro proprietà come solventi, i punti di fusione e la viscosità possono essere facilmente regolati variando i sostituenti degli atomi di azoto e i controioni.

Sono sali, costituiti da cationi come imidazolio, piridinio, ammonio quaternario e fosfonio quaternario e anioni come alogenuri, triflato, tetrafluoroborato ed esafluorofosfato

Proprietà dei liquidi ionici

Hanno molti vantaggi rispetto ai solventi organici tradizionali, come una tensione di vapore trascurabile a temperatura ambiente e un’elevata stabilità termica, che li rende solventi quasi ideali nelle tecniche di estrazione. Le proprietà fisiche e chimiche tra cui stabilità termica, viscosità e solubilità in acqua e altri solventi possono essere variate semplicemente cambiando la combinazione di cationi e anioni.

Contrariamente ai sali inorganici, i liquidi ionici hanno punti di fusione molto più bassi principalmente a causa delle dimensioni maggiori dei cationi, dell’anione o di entrambi. Inoltre, le loro strutture molecolari possiedono un alto grado di asimmetria che influenza l’impacchettamento ionico e quindi diminuisce l’attrazione coulombiana tra gli ioni.

Classificazione

Vi sono diversi tipi di classificazione che possono basarsi su: struttura chimica, temperatura di fusione, natura di cationi/anioni, proprietà fisico-chimiche, proprietà biochimiche, funzionalità e applicazioni.  La classificazione più comune prevede la suddivisione in due classi: liquidi ionici aprotici (APILs) e protici (PILs).

In un altro tipo di classificazione si dividono in due categorie principali ovvero sali semplici costituiti da un singolo anione e catione e liquidi ionici binari ovvero sali in cui è coinvolto l’equilibrio.

Ad esempio, [CH₃CH₂NH₃][NO₃] è un sale semplice.

Invece le miscele di cloruro di alluminio e cloruri di 1,3-dialchilimidazolio, sistema liquido ionico binario, contengono diverse specie ioniche. Il loro punto di fusione e le loro proprietà dipendono sulle frazioni molari di cloruro di alluminio (III) e cloruro di 1,3-dialchilimidazolio presenti.

Sintesi dei liquidi ionici

La sintesi di liquidi ionici può essere descritta in due passaggi:

– formazione del catione. Il catione può essere sintetizzato mediante protonazione dell’ammina da parte di un acido o mediante reazioni di quaternizzazione dell’ammina con un alogenuro alchilico e riscaldamento della miscela.

–scambio anionico. Le reazioni di scambio anionico possono essere effettuate mediante trattamento di sali di alogenuro con acidi di Lewis per formare liquidi ionici a base di acido di Lewis o mediante metatesi anionica.

Usi

Sono potenziali candidati per risolvere alcuni dei principali problemi che la società deve affrontare attualmente, emergendo come risorsa alternativa pulita, efficiente ed ecologica di solventi organici e volatili insieme a molti altri vantaggi significativi dovuti alle loro proprietà termiche, fisiche, chimiche e biologiche uniche.

Inoltre, queste proprietà possono essere modificate a seconda della loro applicazione alterando la combinazione di cationi e anioni. Le proprietà tossiche e pericolose di molti solventi, in particolare gli idrocarburi clorurati, pongono infatti problemi ambientali come le emissioni atmosferiche e la contaminazione di falde acquifere.

Negli ultimi due decenni, i liquidi ionici sono stati considerati solventi promettenti con capacità uniche nella:

• sintesi organica
• catalisi
• elettrochimica
• separazione dei metalli
• separazione dei gas
• lavorazione della biomassa
• prodotti farmaceutici
• dispositivi di accumulo di energia come batterie
• supercondensatori
• celle a combustibile